Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ возможности повышения уровня механических свойств сталемеднои проволоки применением объемных ультрамелкозернистых материалов 8
1.1 Анализ современных способов производства и повышения уровня механических свойств высокопрочной сталемеднои проволоки 8
1.2. Анализ существующих способов получения объемных ультрамелкозернистых материалов 15
1.3. Теоретические закономерности процессов пластического структурообразования, обеспечивающих формирование ультрамелкозернистой структуры объемных материалов 31
1.4. Выводы, цель и задачи исследований 34
ГЛАВА 2. Исследование влияния процесса рку протяжки на структуру и свойства сталемеднои проволоки 37
2.1. Разработка непрерывной деформационной схемы формирования УМЗ структуры проволоки 37
2.2. Исследование влияния РКУ протяжки на эволюцию структуры и изменение механических свойств сердечника сталемеднои проволоки ... 41
2.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований 41
2.2.2.Исследование процессов структурообразования, обусловленных РКУ протяжкой сердечника сталемеднои проволоки 42
2.3 .Исследование влияния РКУ протяжки на реологические свойства сердечника сталемеднои проволоки 51
2.3.1 Методика проведения пластометрических исследований
2.3.2 Исследование реологических свойств стали марки 10,
находящейся в исходном крупнозернистом состоянии 54
2.3.3.Исследование влияния процесса РКУ протяжки на реологические свойства стали марки 10 56
2.4. Исследование возможности применения РКУ протяжки в условиях массового производства высокопрочной сталемедной проволоки 59
2.4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 59
2.4.2. Исследование влияния РКУ протяжки на эволюцию структуры и изменение свойств сталемедной проволоки 60
2.5. Выводы по главе 67
ГЛАВА 3. Математическое моделирование процесса рку протяжки в программном комплексе deform-3D 69
3.1.Установление взаимосвязи варьируемых и зависимых геометрических показателей инструмента для РКУ протяжки 69
3.2. Критериальная оценка результативности процесса РКУ протяжки стального сердечника при моделировании в программном комплексе Deform-3D 76
3.2.1. Выбор и обоснование критериев результативности процесса РКУ протяжки 76
3.2.1.1. Критерий, обеспечивающий технологическую стабильность процесса РКУ протяжки 77
3.2.1.2. Критерии, обеспечивающие достижение необходимой степени и однородности НДС материала 78
3.2.2. Методика проектирования процесса РКУ протяжки стальной проволоки в программном комплексе Deform-3D 83
3.2.3. Критериальная оценка результативности процесса РКУ протяжки стального сердечника при моделировании в программном комплексе Deform-3D 86
3.3. Моделирование процесса РКУ протяжки сталемеднои проволоки в
программном комплексе Deform-3D 94
3.3.1. Методика проектирования процесса РКУ протяжки сталемеднои проволоки в программном комплексе Deform-3D 94
3.3.2. Моделирование процесса РКУ протяжки сталемеднои проволоки проволоки в программном комплексе Deform-3D
3.4. Исследование возможности применения УМЗ стали для повышения уровня прочностных свойств сталемеднои проволоки 97
3.5. Выводы по главе 99
ГЛАВА 4. Промышленная реализация разработанных технологических решений и технических средств 102
4.1. Разработка конструкции и выбор материала инструмента, предназначенного для РКУ протяжки проволоки 102
4.2. Разработка технологии непрерывного деформационного получения УМЗ структуры стального сердечника при производстве сталемеднои проволоки ПБ-0,20 108
4.3. Отработка технологических режимов и инструмента для непрерывного деформационного получения УМЗ структуры стального сердечника сталемеднои проволоки ПБ-0,20 114
4.4. Эффективность внедрения разработанных технологических решений и технических средств условиях ООО «ЗМИ-Профит» 118
Заключение 120
Библиографический список
- Анализ существующих способов получения объемных ультрамелкозернистых материалов
- Исследование влияния РКУ протяжки на эволюцию структуры и изменение механических свойств сердечника сталемеднои проволоки
- Критериальная оценка результативности процесса РКУ протяжки стального сердечника при моделировании в программном комплексе Deform-3D
- Отработка технологических режимов и инструмента для непрерывного деформационного получения УМЗ структуры стального сердечника сталемеднои проволоки ПБ-0,20
Введение к работе
Актуальность работы. Стабильное функционирование и развитие многих отраслей отечественной промышленности требует расширения сортамента композиционных материалов, в частности, биметаллической сталемедной проволоки. При этом на первый план встает задача повышения прочностных свойств сталемедной продукции, решение которой продиктовано непрерывно возрастающими требованиями железнодорожного транспорта и оборонного комплекса России.
Несмотря на прогрессивность используемых технологий твердофазного соединения элементов композиции, повышение прочностных свойств сталемедной проволоки с использованием углеродистых марок сталей и патенти-рования биметаллической заготовки невозможно в силу ряда технологических особенностей. К данным ограничениям можно отнести: снижение адгезионной прочности компонентов; охрупчивание проволоки в процессе «осветления» при прохождении ее в горячем состоянии через спиртовой раствор; образование химических соединений на поверхности медной оболочки в процессе патентирования и снижение результативности данного процесса из-за ухудшения теплообмена сердечника с расплавом охлаждающей среды, а также снижение экономической эффективности производства за счет использования более дорогих марок сталей.
Одно из наиболее перспективных направлений повышения прочностных и пластических свойств сталей - формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в материалах деформационными способами. Однако, несмотря на многочисленные разработки, современные способы обладают рядом существенных ограничений в аспекте непрерывности и производительности технологических схем.
Таким образом, разработка новых, научно обоснованных технологических и технических мероприятий, адаптированных к условиям полномасштабного метизного производства и позволяющих получать высокие механические свойства сталемедной проволоки, является важной и актуальной задачей для экономики РФ.
Актуальность работы подтверждена поддержкой программ различного уровня, финансируемых из средств федерального бюджета (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы; АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы»; программа «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса (У .М.Н.И.К)»).
Цель работы - разработка непрерывной деформационной схемы и инструмента для ее реализации, позволяющих формировать УМЗ структуру стального сердечника для гарантированного достижения высоких прочностных свойств сталемедной продукции.
Основные задачи работы:
-
Исследование эволюции структуры и свойств стального сердечника и сталемедиой проволоки в процессе пластической деформации непрерывным способом равноканальной угловой свободной протяжки (РКУ протяжка).
-
Математическое моделирование процесса РКУ протяжки проволоки в среде Deform-3D и критериальная оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) материала для разработки конструкции инструмента, обеспечивающего максимальную эффективность процесса обработки.
-
Разработка технологической схемы производства ультрамелкозернистой высокопрочной сталемедиой проволоки диаметром 0,20 мм (ПБ-0,20), основанной на интеграции непрерывного способа РКУ протяжки в процессы волочения и адаптированной к условиям отечественных предприятий метизной отрасли. Промышленная апробация разработанных технологических решений и технических средств.
Научная новизна.
-
Предложен и научно обоснован новый непрерывный способ равноканальной угловой свободной протяжки, позволяющий формировать ультрамелкозернистую структуру стального сердечника для гарантированного достижения комплекса высоких механических свойств сталемедиой проволоки.
-
Разработана методика критериальной оценки результативности процесса равноканальной угловой свободной протяжки, основанная на комплексной оценке технологической стабильности и достижении заданной степени и однородности напряженно-деформированного состояния проволоки.
3. Получено феноменологическое уравнение состояния ультрамелко
зернистой стали марки 10, отражающее зависимость значений сопротивления
деформации от степени деформации, для дальнейшего применения при про
ектировании технологических процессов обработки давлением.
Практическая значимость.
-
Разработана и опробована технологическая схема производства высокопрочной сталемедиой проволоки ПБ-0,20 с сердечником из ультрамелкозернистой низкоуглеродистой стали, отличающаяся тем, что процесс многократной равноканальной угловой свободной протяжки внедряется в производственный цикл на стадии волочения и обеспечивающая достижение регламентируемого уровня механических свойств готовой продукции.
-
Разработана конструкция инструмента, предназначенного для формирования ультрамелкозернистой структуры стального сердечника сталемедиой проволоки способом равноканальной угловой свободной протяжки.
-
Разработана и внедрена в условиях ООО «ЗМИ-Профит» методика проектирования инструмента, предназначенного для равноканальной угловой свободной протяжки сталемедиой проволоки разных диаметров.
-
Впервые на базе технологии твердофазного соединения элементов композиции получена сталемедная проволока с сердечником из ультрамелкозернистой низкоуглеродистой стали, обладающая временным сопротивлени-
ем 1370 МПа.
5. Показана эффективность сочетания равноканальной угловой свободной протяжки сталемедной проволоки диаметром 4,3 мм с волочением. Экспериментально установлено, что предварительная многократная (до 8 циклов) равноканальная угловая свободная протяжка обеспечивает повышение показателей пластичности с 17 до 19 перегибов, прирост значений микротвердости - до 45% для поверхности и до 10% для центральной области при сохранении электропроводящих свойств сталемедной проволоки.
Реализация работы.
Результаты работы приняты к внедрению в ООО «ЗМИ-Профит» (г. Магнитогорск). На базе технологической схемы твердофазного соединения компонентов с использованием разработанных технологии и конструкции инструмента изготовлена опытно-промышленная партия высокопрочной сталемедной проволоки ПБ-0,20, соответствующая требованиям ТУ 14-4-691-75.
Результаты теоретико-экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «МГТУ» и используются при подготовке инженеров по специальностям 150106 «Обработка металлов давлением» и 150108 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» со специализацией «Наноструктурные материалы и покрытия».
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на Международном симпозиуме «Объемные наноматериалы: от науки к инновациям» (г. Уфа, 2007г.); VIII Международной научно-технической «Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых» (г. Екатеринбург, 2007г.); Школе-семинаре «Коммерциализация научных разработок студентов и молодых ученых», проходящей в рамках программы У.М.Н.И.К. (г. Челябинск, 2007г.); Ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ» (г. Магнитогорск, 2007-2008 гг.); VI школе-семинаре «Фазовые и структурные превращения в сталях» (Башкортостан, 2008г.); «Втором Международном форуме по нанотехнологиям» (г. Москва, 2009г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 17 научных публикаций, в т.ч. 2 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 4 глав, изложена на 135 страницах машинописного текста (без приложений), иллюстрирована 71 рисунком, содержит 15 таблиц, 5 приложений, библиографический список включает 133 наименования.
Анализ существующих способов получения объемных ультрамелкозернистых материалов
Сталемедная катанка, подвергается волочению на станах грубого волочения (типа UDZSA 2500/6, UDZSA 2500/7, UDZSA 630/7) и станах тонкого волочения (типа UDZWG 160/15). При необходимости применяется термическая обработка в электропечах безокислительного отжига (типа СЗП-323Н), обеспечивающая снятие наклепа и восстановление пластических свойств материала.
Преимущества технологии и строгий контроль качества продукции в течение всего производственного цикла предопределяют удовлетворение требований, предъявляемых к биметаллам рядом ГОСТов и технических условий (ТУ) России, стандартами ASTM (США) и DIN (Германия). Вместе с тем на предприятии возникают трудности с достижением высоких прочностных свойств сталемедной проволоки ПБ-0,20, регламентируемых в соответствии с ТУ 14-4-691-75 (табл. 1.1). Волочение проволоки на готовый размер (сопровождающееся деформационным упрочнением и снижением пластичности материала) не позволяет достичь требуемого уровня механических свойств биметалла (предел прочности проволоки должен быть не менее 1550 МПа).
Диаметр проволоки, мм (0,20)- (Ш Овальность проволоки не должна выводить проволоку за пределы допускаемого отклонения по диаметру Шероховатость поверхности, мкм, не более 0,63 Разрывное усилие при растяжении, кг, не менее 5 Разрывное усилие с узлом, кг, не менее 2,5 Число скручиваний на 360, не менее 20 Электрическое сопротивление, Ом/м, не более 1,65 Материал покрытия медь марки МО или Ml
Материал сердечника сталь марки 60Ш Один из традиционных способов повышения механических свойств материала - патентирование заготовки из средне- и высокоуглеродистых марок стали (нагрев до температуры порядка 900С изотермическое охлаждение при температуре порядка 500С [23]. Однако использование сердечника из среднеугле-родистой стали (в соответствии с ТУ 14-4-691-75: сталь марки 60Ш) вызывает ряд технологических проблем, исключающих возможность производства высококачественной сталемедной проволоки ПБ — 0,20: - снижение адгезионной прочности компонентов; - охрупчивание проволоки в процессе «осветления» при прохождении ее в горячем состоянии через спиртовой раствор; - образование химических соединений на поверхности медной оболочки в процессе патентирования и снижение результативности данного процесса из-за ухудшения теплообмена сердечника с расплавом охлаждающей среды; - снижение экономической эффективности производства за счет использования более дорогих марок сталей (взамен используемой на предприятии низкоуглеродистой стали марок Юкп и Юпс), а также значительной модернизации и перенастройки имеющихся агрегатов.
В связи с вышесказанным, возникает проблема разработки новых, научно обоснованных технологических и технических мероприятий, адаптированных к условиям полномасштабного метизного производства и позволяющих получать высокие механические свойства сталемедной проволоки.
Зависимость свойств металлов и сплавов от размера структурных составляющих известна давно. В области дисперсности, даже далекой от нанострук-турной, физико-механические свойства материалов существенно отличаются от «нормальных». В связи с этим в последние годы наметились новые направления повышения свойств конструкционных материалов за счет формирования в них УМЗ структуры с зернами субмикрокристаллического (СМК) (размер зерен d 100-1000 нм) и нанокристаллического (НК) (d 100 нм) уровней. Повышенный прикладной интерес к процессам формирования УМЗ структуры обусловлен возможностью значительной модификации свойств крупнозернистого (КЗ) материала, без изменения его химического состава. Таким образом, важной задачей исследований является анализ свойств объемных УМЗ металлов и сплавов [24].
Как свидетельствуют теоретические оценки, формирование УМЗ структуры металлов и сплавов может привести к высокопрочному состоянию в соответствии с соотношением Холла-Петча [25]: ат = т0 + ку х d 0,5, (1-1) где о - предел текучести; а0 - сопротивление трения решетки; ку - постоянная материала; d - размер зерна. Так, для УМЗ железа предел текучести ат = 6000 МПа при размере зерна d = 10 нм [25]. Кроме того, по данным работы [26] для УМЗ коррозионностой-кой стали марки 12Х18Ш0Т о = 1340МПа. По данным работы [27] прочность УМЗ низкоуглеродистых малолегированных сталей при комнатной температуре в 2-2,5 раза выше, чем у серийно выпускаемых КЗ аналогов. При этом сохраняется не только пластичность, но и высокая вязкость материала.
Что касается твердости, в работе [28] показано, что микротвердость УМЗ материалов в 2-7 раз выше твердости КЗ аналогов вне зависимости от способа получения. В работе [29] с целью достижения высокой прочности А1 сплав 1420 (Al-5,5%Mg-2,2%Li-0,12%Zr) подвергали закалке с последующим кручением под высоким давлением. Величина микротвердости закаленного образца (со средним размером зерен 10 мкм) составляла 540 МПа. Формирование УМЗ структурв со средним размером зерен 70 нм позволило повысить уровень микротвердости сплава до 1750 МПа.
Исследование механических свойств УМЗ титана показало, что прочность и микротвердость достигают максимальных значений, которые более чем в 3 раза выше, чем в отожженном состоянии. При последующем отжиге значения микротвердости остаются постоянными до температур 300-350С и начинают уменьшаться только с ростом зерен при температуре выше 350С [30].
Исследование влияния РКУ протяжки на эволюцию структуры и изменение механических свойств сердечника сталемеднои проволоки
При проведении экспериментальных исследований стальную проволоку (сталь марки 10), используемую в условиях ООО «ЗМИ-Профит» в качестве сердечника биметаллической проволоки последовательно волочили по маршруту 6,7 - 6,0 — 5,5 -» 5,0 — 4,5 — 4,2 мм.
С использованием однократной барабанной волочильной машины 1/550 полученные образцы различного диаметра многократно (до N=10 раз) обрабатывали способом РКУ протяжки в сборной волоке специального профиля. Протяжка осуществлялась в лабораторных условиях при комнатной температуре. Усилие протяжки Р изменялось в диапазоне от 3 до 5 кН в зависимости от диаметра образцов. В качестве смазки использовали состав на основе измельченного мыльного порошка.
Качественный и количественный микроанализ проводили на микроскопе «ЭПИКВАНТ» с .использованием системы компьютерного анализа изображений SIAMS-600. Анализ микроструктур производился с применением специализированных программ и методик, адаптированных к требованиям ГОСТ 5639-82 и ГОСТ 8233-82 [101-102].
Дифракционный электронно-микроскопический анализ проводили в условиях Центра коллективного пользования Института физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург) с использованием просвечивающего электронного микроскопа JEM-200CX при ускоренном напряжении 160 кВ.
Растровый электронно-микроскопический анализ производили на электронном микроскопе JEOL JSM-6490 LV при ускоренном напряжении 30 кВ.
Твердость измеряли методом вдавливания алмазной пирамиды в соответствии с ГОСТ 9475-60 [103] на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 5 гс при оценке твердости отдельных структурных составляющих, а также при нагрузке 200 гс при оценке интегральной твердости отдельных участков микроструктуры. При исследовании закономерностей распределения твердости по сечению образцов замеры проводили в направлении от поверхности до центра шлифа с шагом 0,1 мм.
Разработка эффективной технологии производства высокопрочной сталемедной проволоки требует исследования влияния процесса РКУ протяжки на эволюцию структуры и свойств стального сердечника, определяющего прочностные показатели составной металлоконструкции [104 — 110].
Исходная микроструктура стального сердечника (до РКУ протяжки) соответствует характерной структуре низкоуглеродистой доэвтектоидной стали марки 10 и представляет собой смесь феррита (светлые зерна) с незначительным количеством перлита (рис. 2.4). Размер зерна соответствует баллу № 9 — 11, диаметр составляет в среднем 7—13 мкм. [111]. Рис.2.4. Характерная микроструктура на поверхности (а) и в центральной части (б) стальной проволоки в исходном (до РКУ протяжки) состоянии; х 500
При традиционном волочении проволоки по маршруту 6,7 —» 6,0 — 5,5 — 5,0 — 4,5 — 4,2 мм в образцах конечного диаметра (суммарное относительное обжатие составляет 61%) формируется структура, представленная на рис. 2.5. Структура проволоки из стали марки 10 после волочения с суммарным относительным обжатием более 60% (светлопольное изображение и электронограмма; х 50000)
Как видно из рисунка 2.5 , электронограмма состоит из простой комбинации ярких пятен, что характерно для электронограмм от монокристалла. Таким образом, при волочении образуются лишь субзеренная структура с ячейками размером порядка 1,25 мкм, окруженными стенками из дислокаций. Формиро 44 вание такого типа субзеренных структур не может обеспечить достижение высокой прочности при сохранении пластичности материала.
Вместе с тем РКУ протяжка обеспечивает значительное изменение структуры всех исследуемых образцов независимо от их диаметра. Уже после N=2 и вплоть до N = 10 циклов обработки наблюдается интенсивное диспергирование структуры поверхностных слоев проволоки. Процесс фрагментации носит кумулятивный характер, т.е. степень дисперсности зерна и толщина измельченного слоя от прохода к проходу непрерывно возрастает (рис. 2.6). Различить строение и идентифицировать структурные составляющие волокнистого поверхностного слоя методами оптической микроскопии, не представляется возможным вследствие высокой дисперсности микроструктуры
В результате анализа микроструктуры образцов различного диаметра ориентировочно были выделены следующие стадии формирования УМЗ структуры поверхности стального сердечника (рис. 2.7).: - формирование равномерного слоя (1-ый - 4-ый проходы), (рис. 2.7. а); - развитие слоя в глубину материала (4-ый - 7-ой проходы), (рис. 2.7. б); - стадия накопления дефектов (7-ой - 9-ый проходы), (рис. 2.7. в); - частичное разрушение и отслоение поверхностного диспергированного слоя (9-ый и последующие проходы), (рис. 2.7. г).
Наступление стадии накопления дефектов - неприемлемое явление, требующее проведения дальнейших исследований, выбора оптимальной конструкции инструмента и наиболее эффективных параметров процесса обработки материала предлагаемым способом деформационного наноструктурирования.
Дифракционный электронно-микроскопический анализ подтвердил, что многократная РКУ протяжка сопровождается диспергированием структурных составляющих не только на поверхности, но и в центральной области проволоки (рис. 2.8). Рис. 2.8. Фрагментированные зерна феррита в центральной области образца из стали марки 10 после 10 проходов РКУ протяжки, х 37000: а - светлопольное изображение и электронограмма; б - темнопольное изображение Как видно из рисунка 2.8 при РКУ протяжке формируются фрагментированные зерна феррита (размер фрагментов 300 - 360 нм), т.е. происходит образование субграниц, сопровождающееся разориентацией микрообъемов в пределах одного зерна. Это подтверждается размытием рефлексов феррита на элек-тронограммах и темнопольным анализом микроструктуры в рефлексе 110ф.
Наряду с этим в поперечном сечении образцов выявлены области с УМЗ структурой, подобные участку, приведенному на рис. 2.9. Электронограммы аналогичных участков, полученные методом микродифрации электронов, представляют собой множество рефлексов, расположенных по концентрическим окружностям, т. е. являются практически кольцевыми (рис. 2.9 б). Значит, они были получены от множества ультрамелких зерен, имеющих большеугловые границы и ориентированных произвольным образом. Указанные границы являются неравновесными - они сильно изогнуты, волнообразны и имеют сложную дислокационную структуру (рис. 2.10). По данным работы [45] образование такого вида границ, способных на сдвиг, инициирует возникновение специфичного механизма пластической деформации (зернограничное проскальзывание) и, как следствие, повышение пластических свойств материала.
Критериальная оценка результативности процесса РКУ протяжки стального сердечника при моделировании в программном комплексе Deform-3D
В соответствии с критерием (3.4) процесс РКУ протяжки должен обеспечивать пластическое течение, обусловленное достижением интенсивности напряжений, возникающих при прохождении проволоки через инструмент, предела текучести материала.
В соответствии с подходом, развивающим представления «классической» теории фрагментации, процесс измельчения зерен при больших пластических деформациях можно описать следующим образом. В процессе внутризеренной пластической деформации, осуществляемой под действием внешних напряжений, на внутренних границах зерен поликристалла накапливаются дефекты. В общем случае возникающий на границах дефектный слой - сложная система несамосогласованных плоских распределений дислокаций и стыковых дискли-наций, создающих в зернах мощные поля внутренних напряжений ъх и инициирующих аккомодационное внутризеренное скольжение. В ходе больших пластических деформаций внутризеренное скольжение приобретает коллективный характер и вызывает зарождение оборванных дислокационных границ, которые ветвясь и пересекаясь одна с другой, постепенно фрагментируют кристалл. Тогда силовое условие фрагментации является условием на интенсивность полей внутренних напряжений аь создаваемых стыковыми дисклинациями [100]:
В соответствии с неравенством (3.5) внутренние напряжения, возникающие в материале под действием внешних сил, должны быть достаточными, чтобы вызывать пластическую деформацию в зернах. В свете изложенных представлений результативность процесса РКУ протяжки определяется уров 80 нем напряжений, действующих на проволоку при прохождении зон упруго-пластического контакта с инструментом и межочаговой области.
Таким образом, в процессе РКУ протяжки наибольшей результативностью обладает конструкция, использование которой позволяет достичь максимального уровня и наиболее равномерного распределения интенсивности напряжений по сечению заготовки: Д = (сгГ - аЧГ" ) - MIN (З.б) А " " Л УГГТ ST ПОв где А - градиент значении интенсивности напряжении, МПа; & и , _ центр „ „ О и - интенсивность напряжении, действующих на поверхности и в центре заготовки соответственно, МПа. Выполнение критерия (3.6) обеспечивает однородность структуры и свойств по сечению проволоки и позволяет избежать ситуации, при которой напряжения, вызванные изгибом, действуют только в поверхностных слоях заготовки.
Интенсивная пластическая деформация (ИПД) - методы обработки, связанные с достижением чрезвычайно высоких степеней деформации в условиях больших приложенных давлений при относительно низких температурах (обычно меньше (0,3-0,4) от температуры плавления) и позволяющие получать объемные беспористые УМЗ материалы с уникальным комплексом свойств Исследованию процессов ИПД посвящено множество исследований отечественных и зарубежных авторов [31]. Однако в настоящее время до сих пор не существует фиксированного значения степени деформации, достижение которого позволяет исследователям отнести какой-либо процесс к «процессу интенсив 81 ной пластической деформации». Ситуация осложняется тем, что в процессах ИПД поперечные размеры заготовок обычно не изменяются, и традиционные методы расчета достигнутой степени деформации неприменимы. Предлагаемые исследователями формулы не могут быть использованы применительно ко всем существующим схемам и не всегда согласуются с экспериментальными данными [126].
К примеру, в случае кручения под давлением в образцах, имеющих форму дисков радиусом R [мм] и толщиной L [мм], создается деформация сдвига (глава 1 работы). При этом истинную логарифмическую степень деформации рассчитывают по формуле: Ln (s (3.7) где $ - угол вращения одного из бойков. При расчете степени сдвиговой деформации s в некоторой точке X расположенной на расстоянии Ях [мм] от оси образца, используют формулу: є s = 2 7tN L (3.8) где N — число оборотов бойка. Для сопоставления степени сдвиговой деформации при кручении со степенями деформации, развитыми при других схемах деформирования, величину Ss преобразуют в эквивалентную деформацию є = 8S / л/3 . Из формулы (3.8) следует, что величина деформации должна линейно меняться от 0 в центре образца до максимального значения по периметру образца. Однако результаты многочисленных исследований показывают, что в процессе кручения микроструктура центральной части образца существенно измельчает 82 ся, а структура образца в целом является однородной по всему сечению. В связи с этим к большим или развитым обычно относят такие пластические деформации, при достижении которых поведение металлических материалов на макро-, мезо- и микроуровнях как качественно, так и количественно отличается от такового на предшествующих начальных и промежуточных этапах деформации. Кроме того, достижение больших пластических деформаций ассоциируется с измельчением микроструктуры, формированием ячеистой структуры и изменением структуры внутренних поверхностей раздела, обеспечивающими изменение свойств материалов [92].
Таким образом, приняли критерий, в соответствии с которым в процессе РКУ протяжки наибольшей результативностью обладает конструкция, использование которой обеспечивает достижение максимального уровня интенсивности деформаций сдвига Г по сечению заготовки:
Г- МАХ, (3.9) ГДЄГ =-\[f V( x -Єуу} + {„ s:2f +{s:z -sj2 +б(4 +s2r_ +4); Єц - компоненты тензора деформаций [125]. Выполнение условия (3.9) в процессе РКУ протяжки обеспечит высокий уровень деформаций сдвига, обуславливающих измельчение структурных составляющих при сохранении неизменными химического состава материала и исходных геометрических размеров заготовок.
Математическое моделирование процесса РКУ протяжки проволоки в программном комплексе Deform-3D (лицензия: Machine 38808) и анализ полученных результатов с точки зрения выполнения принятых критериев позволит разработать конструкцию технологического инструмента, обеспечивающего максимальную эффективность и стабильность протекания процесса обработки [127]. 3.2.2. Методика проектирования процесса РКУ протяжки стальной проволоки в программном комплексе Deform-3D
Изначально был смоделирован процесс РКУ протяжки стального сердечника, определяющего интегральную прочность и пластичность сталемеднои проволоки. Библиотека Deform-3D не содержит инструментов позволяющих моделировать разрабатываемый процесс РКУ протяжки проволоки, поэтому необходимую геометрию создавали в системе трехмерного твердотельного моделирования KOMITAC-3D. Так как задача симметрична использовали половины созданных объектов (рис. 3.9).
Отработка технологических режимов и инструмента для непрерывного деформационного получения УМЗ структуры стального сердечника сталемеднои проволоки ПБ-0,20
Контактирующие плоские поверхности 10 разъёма промежуточной части 2 выполнены параллельными друг другу, углы а между плоскими поверхностями разъёма 10 и осями симметрии 7, 8 и 9 приёмного, выходного и промежуточного каналов выполнены равными между собой. Во всех трёх частях выполнены отверстия под чистовые крепёжные элементы 11, при этом оси отверстий 12 под чистовые крепёжные элементы выполнены перпендикулярно плоским поверхностям разъёма 10. В приёмной и выходной частях в отверстиях под крепёжные элементы выполнены резьбовые участки, а приёмная, промежуточная и выходная части жёстко соединены чистовыми крепёжными элементами.
Три пересекающихся канала, геометрически подобные в поперечном сечении имеют форму: окружности. Предложенное устройство является простым по конструкции, а за счёт того, что матрица выполняется составной, значительно упрощается процесс её изготовления.
Для реализации РКУ протяжки тонкой проволоки, использование предложенной конструкции крайне затруднительно вследствие малых геометрических размеров частей инструмента. В связи с этим, разработана альтернативная конструкция, представляющая собой так называемую сборную волоку. Сконструированная волока состоит из следующих основных частей, свободно вставляемых в зажимную втулку 1 (рис. 4.2.): - вкладыш с наклонным каналом, поперечное сечение которого (эллипс) определяется длиной малой оси и соответствует диаметру сверла Di [мм], используемого при изготовлении инструмента. Размер большой оси эллипса Н = iVcos(180o- Ф), [мм] определяется углом пересечения каналов инструмента Ф [град]. Данная область образует выходную зону инструмента 2. - вкладыш с горизонтальным каналом диаметром Dj, [мм]. Данная область образует промежуточный канал инструмента 3; - волока с каналом стандартного профиля и диаметром калибрующей зоны, соответствующим диаметру обрабатываемой проволоки Dn [мм]. Данная область образует приемный канал инструмента 4;
Чтобы исключить возможный прорыв смазки между двумя вкладышами устанавливается шайба 5. Для предупреждения скалывания кромки волоки при сильном сжатии накидной гайкой также может использоваться шайба. Втулка с вкладышами плотно прижимается накидной гайкой 6.
Устройство работает следующим образом: в волоку с каналом стандартного профиля 4 помещают заострённую заготовку и, далее, перемещают её по промежуточному 3 и выходному 2 каналам к барабану волочильного стана. Заготовка дважды изменяет направление течения и извлекается из инструмента. При изменении направления течения осуществляется сдвиговая деформация, обуславливающая упрочнение материала заготовки. Для равномерного упрочнения материала по всему объему деформирование осуществляется неоднократно, после чего заготовка подвергается волочению по традиционному маршруту, обеспечивающему получение проволоки заданного диаметра.
В сравнении с традиционными, разработанная конструкция обладает рядом преимуществ, присущих сборным волокам [131]: - сильное радиальное сжатие вкладышей в корпусе исключает их растрескивание в процессе работы; - за счет сильного осевого сжатия вкладышей между ними достигается герметичность; - обеспечивается соосность частей инструмента в результате применения шлифованных по наружному диаметру вкладышей и радиального их сжатия в одной цилиндрической поверхности зажимной втулки;
Использование предлагаемой оснастки в составе традиционного волочильного оборудования обеспечит высокую технологичность и эффективность процесса обработки тонкой проволоки способом РКУ протяжки.
При изготовлении инструмента рекомендуется применять материал, обладающий высокой твердостью, износо- и антикоррозионной стойкостью, шлифуемостью, полируемостью и теплопроводностью. Кроме того, на материал не должна налипать обрабатываемая заготовка [10]. Указанными свойствами в полной мере обладают металлокерамические твердые сплавы. Выбор данного материала обусловлен многочисленными преимуществами твердых сплавов перед другими инструментальными материалами, а именно: - высокий уровень теплопроводности, обеспечивающей отвод тепла из очага деформации, выделяющегося в процессе обработки металлов давлением; способность при повышенных температурах сохранять высокую твердость, определяющую прочность и износостойкость инструмента при его эксплуатации; - устойчивость к воздействию агрессивных сред, какими являются технологические смазки и смазочно-охлаждающие жидкости; - хорошая полируемость, обеспечивающая качественную поверхность рабочих каналов инструмента, снижение коэффициента внешнего трения и, как следствие, высокое качество поверхности деформируемой проволоки. Таким образом, в качестве материала инструмента могут быть использо 107 ваны вольфрамокобальтовые твердые сплавы (ВК), соответствующие требованиям ГОСТ 3882-74 «Сплавы твердые металлокерамические. Марки» [132]. Свойства некоторых металлокерамических твердых сплавов вольфрамовой группы представлены в табл. 4.1.
Марка сплава Содержаниекарбида вольфрама, % Предел прочностипри изгибе,Н/мм2, не менее Твердость HRC, не менее Плотность,г/см3 ВКЗ 97 980 89 14,9-15,3 ВК6 94 1180 88 14,6-15 ВК8 92 1270 87,5 14,35 ВК10 90 1500 87 14,2 - 14,5 ВК15 85 1650 86 13,9-14,1 При реализации РКУ протяжки на высоких скоростях целесообразно использовать более износостойкие, но менее пластичные сплавы марок ВКЗ, ВКЗМ или ВК4. Сплав марки ВК6 может быть рекомендован для обработки проволоки диаметром более 0,6 мм, так как обладает меньшей износостойкостью, но имеет более высокую прочность и сопротивляемость выкашиванию.
С увеличением прочности и диаметра обрабатываемой проволоки также может быть использован инструмент, изготовленный из сплавов марок ВК8, ВК10 или ВК15. Данные материалы имеют более высокий предел прочности при изгибе.
Для увеличения эксплуатационной стойкости инструмента рекомендуется применять ленточное шлифование поверхности каналов, обеспечивающее снижение шероховатости их поверхности.
