Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ процесса холодного плакирования прокаткой. Постановка задачи исследования 9
1.1. Анализ методов получения слоистых листов и лент с использованием плакирования прокаткой 9
1.2. Анализ теоретических методов исследований процесса совместной прокатки разных металлов 19
1.3. Возможности снижения деформации схватывания. Методы испытания адгезионных свойств соединений 28
1.4. Выводы и задачи исследования 32
2. Исследование послойных деформаций при холодном плакировании прокаткой 34
2.1. Методика проведения экспериментальных исследований 34
2.2. Обработка экспериментальных данных 38
2.3. Анализ полученных результатов 39
2.4. Математическая модель процесса холодной прокатки трёхслойной полосы 42
2.5. Разработка алгоритма и методики численной реализации математической модели 51
2.6. Вы воды 56
3. Исследование влияния подслоя на деформацию схватывания при холодном плакировании 58
3.1. Влияние материала подслоя на схватывание различных металлов при холодном плакировании 58
3.2. Разработка способов исследования адгезионной прочности сцепления слоев 63
3.3. Совершенствование процесса нанесения тонких металлических слоев 68
3.4. Повышение качества биметаллических лент 72
3.5. Применение подслоя при холодном плакировании 74
3.6. Определение рациональных режимов нанесения латунного подслоя на основу при получении композиции сталь-латунь 77
3.7. Выводы 81
4. Совершенствование технологии изготовления биметалла 84
4.1. Реализации процесса холодного плакирования с подслоем в промышленных условиях. Модернизация зачистной машины стана 400/1000x500 84
4.2. Разработка узлов подачи металла покрытия 87
4.3. Экспериментальное плакирование стали латунью с предварительным нанесением латунного подслоя на стальную основу в промышленных условиях 95
4.4. Изготовление партии биметалла 3 с предварительным нанесением подслоя латуни на стальную основу 98
4.5. Совершенствование технологии изготовления биметаллической ленты сталь - латунь 104
4.6. Выводы 109
Заключение 111
Список литературы 114
Приложения 134
- Анализ теоретических методов исследований процесса совместной прокатки разных металлов
- Разработка алгоритма и методики численной реализации математической модели
- Определение рациональных режимов нанесения латунного подслоя на основу при получении композиции сталь-латунь
- Экспериментальное плакирование стали латунью с предварительным нанесением латунного подслоя на стальную основу в промышленных условиях
Введение к работе
Наряду с преимуществами холодного плакирования прокаткой, существуют определённые сложности реализации этого процесса, как с точки зрения технологической, так и с точки зрения пооперационного контроля, что препятствует более широкому применению способа на практике. Основная операция процесса холодного плакирования - совместная пластическая деформация составляющих, обеспечивающая прочное соединение слоев, достаточное для выполнения последующих технологических операций. Практически для надёжного схватывания компонентов степень деформации в плакировочном проходе должна быть более 50 %, что подтверждается многочисленными исследованиями. Значительное влияние на деформацию схватывания оказывают свойства контактных поверхностей исходных компонентов [2, 9, 10].
Одним из путей воздействия на контактные поверхности составляющих является нанесение тонких металлических слоев вращающимися металлическими щётками. Однако, на сегодняшний день не достаточно изучены, как собственно процесс нанесения подслоя, так и его влияние на деформацию схватывания. В частности, в литературе отсутствуют сведения о нанесении подслоев этим способом на металлические полосы, шириной более 100 мм, о положительном влиянии подслоев на снижение деформации схватывания при холодном плакировании. Поэтому необходимо продолжение исследований в данном направлении.
Разработка технологии холодного плакирования предполагает контроль ряда технологических параметров на различных стадиях производства. Одной из важнейших проблем при этом является контроль адгезионной прочности сцепления основы и покрытия. Известные способы контроля адгезионной прочности сцепления зачастую дают качественную оценку этого параметра. Практическое использование в условиях действующего производства сталкивается с множеством трудностей. В связи с этим, разработка надёжных, простых способов контроля адгезионной прочности сцепления основы и покрытия является актуальной задачей.
Целью данной работы является совершенствование технологии холодного плакирования прокаткой, путём снижения степени деформации составляющих компонентов в плакировочном проходе, за счёт предварительного нанесения тонкого металлического подслоя на основу.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
1. Исследовать закономерности послойных деформаций вдоль очага деформации при холодном плакировании прокаткой, в зависимости от технологических параметров процесса.
2. Исследовать влияние материала подслоя, нанесённого вращающимися металлическими щётками, на деформацию схватывания при получении слоистых металлов способом холодного плакирования прокаткой.
3. Определить рациональные режимы нанесения металлического подслоя вращающимися металлическими щётками на широкие полосы, разработать способ и соответствующее оборудование.
4. Разработать способы контроля адгезионной прочности сцепления слоев и контроля качества подготовки контактных поверхностей составляющих.
5. Опробовать технологию холодного плакирования с предварительным нанесением подслоя на основу в промышленных условиях. Выработать рекомендации по совершенствованию технологии производства биметаллических лент.
В первой главе представлен обзор существующих способов хо-лодного плакирования; приведён анализ различных теоретических моделей совместной холодной прокатки разных металлов, позволяющих определить напряженно-деформированное состояние; рассмотрены вопросы, связанные с подготовкой контактных поверхностей, неравномерностью послойных деформаций; определены вопросы, решение которых необходимо для разработки технологии холодного плакирования с предварительным нанесением подслоя на основу.
Во второй главе изложена методика проведения и результаты исследований послойных деформаций при холодном плакировании прокаткой; приведён анализ полученных результатов; предложена математическая модель процесса совместной холодной прокатки разных металлов; приведён алгоритм и методика численной реализации математической модели.
В третьей главе изложены результаты исследований влияния подслоя, нанесённого на основу, на схватывание различных металлов при холодном плакировании; предложены новые способы исследований адгезионной прочности сцепления слоев соединения и способ изготовления образца для исследования влияния подготовки поверхности на качество соединения слоев, новая конструкция инструмента для нанесения подслоя и способ нанесения подслоя на основу; варианты применения подслоев при холодном плакировании; определены рациональные режимы нанесения латунного подслоя при получении слоистой композиции сталь-латунь; приведены результаты металлографических, элек-трономикроскопических и рентгенографических исследований основных закономерностей механизма формирования подслоя. В четвёртой главе, на основе результатов исследований представленных во второй и третьей главах, предложена технологическая схема реализации холодного плакирования с предварительным нанесе-ниєм подслоя на основу на стане 400/1000x500, изложена сущность проведённой модернизации зачистной машины стана; разработаны конструкции узлов подачи металла покрытия для установки в линии стана и для исследовательских целей; приведены результаты экспериментального холодного плакирования с предварительным нанесением подслоя на основу в промышленных условиях; результаты изготовления и испытания изделий у изготовителя.
Работа выполнялась на кафедрах металлургических и машиностроительных технологий, обработки металлов давлением, процессов и машин обработки давлением и прикладной механики Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, на предприятии п/я В-8615. Автор выражает глубокую признательность всем сотрудникам кафедр металлургических и машиностроительных технологий, процессов и машин обработки давлением и прикладной механики, обработки металлов давлением за помощь в проведении исследований, консультации, за ценные советы и рекомендации.
Автор благодарен за неоценимую практическую помощь при проведении исследований и изготовлении опытных партий продукции в условиях действующего производства А.В. Завертяеву, Р.И. Багаутдинову, Л.Н. Дмитрову, В.Г. Павлову, Э.П. Луговских, P.M. Ключникову.
Анализ теоретических методов исследований процесса совместной прокатки разных металлов
При разработке математических моделей совместной прокатки разных металлов, как правило, рассматривают либо только первую стадию, либо первую и третью стадии. При этом ряд допущений принимают такими же, как и при прокатке монометаллов [69-72], а именно, рассматривают плоское деформированное состояние, прокатка осуществляется в валках одинакового радиуса, вращающихся с одинаковой скоростью, на выходе из очага деформации скорость слоистой полосы равна линейной скорости валков.
В одном случае теоретические зависимости позволяют оценить энергосиловые параметры процесса, такие как усилия при деформировании биметаллов [10, 73-78], напряжения в очаге деформации [2, 11 , 79, 80], удельные давления и послойные продольные напряжения [81, 82], контактные напряжения [83, 84]. В другом случае кинематические параметры деформирования слоистых композиций позволяющие оценить поле скоростей перемещений и скорости деформации [77, 78], влияние натяжения на кинематику процесса [83], течение слоев по ширине биметалла [82], моделировать многослойные течения с помощью функций тока [84-86].
Одним из основных параметров при изготовлении слоистых металлов является соотношение толщин компонентов в готовом изделии. Этой проблеме посвящены ряд исследований по определению величины абсолютной или относительной деформации каждого слоя при заданной общей деформации заготовки. В работе [84], наряду с перечисленными выше допущениями, принимается, что на всей длине очага деформации происходит скольжение между слоями, т.е. рассматривается однозонный очаг деформации (на всей длине очага наблюдается совместная неравномерная деформация компонентов). В результате анализа получено уравнение полной мощности деформации для половины очага деформации, выражение для определения относительной деформации плакирующего слоя при заданной общей деформации всего пакета. Авторами работы [87] с использованием метода жестко-пластичных конечных элементов выполнено численное моделирование процесса прокатки биметаллических листов с учётом сдвигов на границе раздела металлов.
Решение аналогичной задачи приводится в работе [10], при этом дуги захвата заменены параболами. В результате решения вариационного уравнения определяли минимум суммарной мощности, затрачиваемой на деформацию двухслойной полосы, и, соответствующее этому минимуму, значение отклонение от горизонтального положения границы раздела слоев на выходе из валков. После этого из геометрических соотношений в очаге деформации вычисляли величины послойных деформаций. Авторами работы [88] предложена математическая модель процесса плакирования, учитывающая ориентировку и параметры кристаллических решёток соединяемых металлов, чистоту и свойства контактных поверхностей, кинематику схватывания, позволяющая прогнозировать степень деформации схватывания для обеспечения заданного уровня прочности соединения.
В работах Архангельского А.В., Полухина П.И., Кнышева Ю.В., Барыкина И.П. [69, 70, 89, 90] получены уравнения для расчёта давления на валки при одностороннем плакировании, для расчёта толщины слоев биметаллического пакета, уравнения для определения давления металла на валки с учётом зоны опережения. Расхождение экспериментальных данных и расчётных параметров объясняется совокупностью принимаемых допущений.
В работе [91] рассмотрена возможность снижения напряжений на межслойной границе, за счёт прокатки биметалла в валках разного диаметра. Используя принцип суперпозиции, решая уравнение распределения обжатия при прокатке в валках неравного диаметра, установлено, что эффективно влиять на деформацию составляющих биметалла можно, если соотношение диаметров валков близко к соотношению толщин составляющих.
Более соответствующими реальной картине деформирования являются модели, в которых весь очаг разбивается на две зоны (рис. 1.12): зону избирательной деформации и зону совместной равномерной деформации компонентов[92-94]. При этом, как правило, определяют положение сечения в котором начинает деформироваться более твёрдый компонент, а на оставшейся длине очага деформации текущие и конечные значения толщин компонентов определяют из геометрический соотношений, считая деформацию слоев равномерной. Такой подход [94] позволил получить уравнение, определяющее длину зоны избирательной деформации, зависимости для определения толщины покрытия после плакирования, зная исходное соотношение толщин компонентов. Построены диаграммы, позволяющие по требуемой удельной толщине покрытия определить удельную толщину плакирующих лент и, наоборот, по исходному соотношению толщин лент на входе в валки найти толщину покрытия после плакирования. В работе [95], в результате исследования послойных деформаций, авторами получено выражение для определения зоны lc совместной пластической деформации слоев: (1.5) где /-длина проекции дуги захвата; А-,, А2- постоянные, определяемые из закона упрочнения; r1t т2 - касательные напряжения на контакте мягкого слоя с валком и на межслойной границе; АН - абсолютное обжатие многослойного пакета за проход; h10, h2o - исходные толщины соответственно мягкого и твёрдого слоев; В-, - коэффициент упрочнения мягко-го слоя.
При дальнейших теоретических исследованиях [2], получена зависимость послойных деформаций при прокатке разнородных металлов с разной толщиной плакирующих слоев от основных теоретических параметров. Предложенная методика позволяет рассчитывать исходные геометрические размеры заготовок для получения трёхслойной композиции с заданным соотношением слоев.
Разработка алгоритма и методики численной реализации математической модели
Уравнения (2.35) и (2.66) решали численно с использованием метода дихотомии (метода деления пополам) [167]. При этом, на первом этапе вычисляются значения левой части уравнения на границах интервала изменения Z (Z=0, Z-1). Уравнение имеет решение в указанном интервале только в том случае, если эти значения разных знаков. В противном случае, граница участка не определяется, что имеет определённый физический смысл. Если значения левой части уравнения отрицательны на границах интервала Z7, то это говорит о том, что на оставшемся участке очага деформации разность главных напряжений (оу - ах) для исследуемого слоя будет меньше его предела текучести, т.е. этот слой не перейдёт в пластическое состояние на оставшемся участке очага деформации. При этом, если решения нет на II участке (т.е. там, где верхний слой жёсткий), значит верхний слой не деформируется, если на I участке, то не деформируется нижний слой.
Общая программа решения задачи состоит из главной программы и двух подпрограмм (CORD и РОТ). В главной программе проводятся основные вычисления и оценки. В зависимости от того, как соотносятся длины зон деформации и длина очага деформации, вычисления либо продолжаются, либо завершаются. В любом случае на печать выводятся все величины, полученные на данном этапе вычислений.
Подпрограмма РОГ по одной из приведённых в ней формул, моделирующих процесс деформации, вычисляет величину деформации и передаёт это значение в главную программу. Подпрограмма CORD используется для нахождения решений уравнений методом деления отрезка пополам, при этом полагаем, что решение находится в интервале [0,0001; 0,9999]. В зависимости оттого, какой знак имеет решение в дан ной точке, выбираем новый отрезок таким образом, чтобы знаки на концах нового интервала были противоположными. И вновь делим выбранный отрезок пополам, и так до тех пор, пока не достигнем заданной точности в вычислениях. После этого результаты также передаются в главную программу. Если знаки на концах выбранного интервала одинаковы, то вычисления заканчиваются и, в зависимости от того, какой знак имеет решение полученное в подпрограмме РОТ, делаем выводы о деформации слоев.
Для оценки достоверности разработанной математической модели, произвели расчёты процесса совместной холодной прокатки для случая плакирования медной основы алюминием (задние натяжения составляющих и переднее натяжение сплакированнои полосы отсутствуют), при этом в качестве исходных данных были приняты следующие параметры: По результатам проведённых экспериментальных и теоретических исследований можно сформулировать следующие выводы: 1. Разработана методика исследования послойных деформаций вдоль очага деформации при совместной холодной прокатке разных металлов. 2. Установлен характер изменения критерия неравномерности деформации по длине очага деформации в зависимости от соотношения толщин слоев. 3. При соотношении толщины мягкого слоя /?м и толщины твёрдого слоя /?т в пределах h/h - (0,06...0,15), наблюдается волнообразный характер изменения критерия неравномерности деформации, При ЭТОМ аСИМПТОТОЙ ЯВЛЯеТСЯ уровень Єи/Єг = 1. 4. Получены уравнения регрессии, устанавливающие влияние относительной деформации пакета, соотношения толщин составляющих компонентов, соотношения пределов текучести мягкого и твёрдого слоев на неравномерность послойных деформаций при совместной холодной прокатке разных металлов. 5. Разработана математическая модель процесса холодной прокатки трёхслойной полосы, с учётом неравномерности послойных деформаций вдоль очага. 6. Предложен алгоритм и методика численной реализации математической модели. Получены расчётные зависимости неравномерности послойных деформаций. 7. Максимальное расхождение экспериментальных и расчётных параметров составляет 14 %, среднее значение погрешности составляет 9,39 %.
Определение рациональных режимов нанесения латунного подслоя на основу при получении композиции сталь-латунь
Для повышения качества нанесения металлического покрытия на поверхность изделия, разработан способ [176], включающий снятие металлического материала с бруска, выполненного из материала покры-тия, вращающейся металлической щёткой, при этом, в зону контакта подают поверхностно-активное вещество по отношению к материалу изделия, причём подачу поверхностно-активного вещества ведут одновременно с нанесением металлического покрытия на поверхность. При этом, адсорбированные слои, поверхностно-активные вещества, блокируя обрабатываемую поверхность, не допускают проникновения к юви-нильным поверхностям металла молекул кислорода и предохраняют их от окисления. Вследствие этого структура наносимого слоя становится более однородной, нет включений окислов и интерметаллических соединений. Кроме того, поверхностно-активное вещество (например, глицерин), выполняет функцию охлаждающей жидкости, что в целом способствует увеличению толщины наносимого покрытия.
При проведении исследований установлено, что перемещение плакирующего материала относительно основного слоя перед очагом деформации, улучшает сцепление основы с плакирующим слоем. На основании этого был предложен способ получения биметаллической полосы [177], включающий зачистку основы и плакирующего слоя, размещение основы и плакирующего слоев на соответствующих барабанах разматывателей, сборку основы и плакирующего слоев в пакет и совместную холодную прокатку пакета с натяжением плакирующего слоя в направлении оси прокатки, при этом, перед входом в очаг деформации, осуществляется дополнительное перемещение плакирующего слоя в направлении, составляющем с осью прокатки угол 85...89,5. Дополнительное перемещение плакирующего слоя производится сообщением периодических колебаний плакирующему слою в направлении, перпендикулярном направлении прокатки, в период размотки. Частота колебаний плакирующего слоя при этом должна составлять 0,1...2,0 Гц.
При получении многослойных лент прочность схватывания слоев на кромках лент ниже, чем по середине. Это связано с различием условий совместной пластической деформации по средней части полосы и по её кромкам вследствие наличия утонения на кромках исходных лент и уширения прикромочных участков лент в процессе плакирования. При этом величина обжатия прикромочных участков оказывается недостаточной для получения надёжного сцепления слоев по кромкам ленты. Это приводит к необходимости увеличения ширины обрезки кромок готовой многослойной ленты и увеличивает отходы материала при её производстве.
Для устранения указанных недостатков разработан способ изготовления многослойных лент латунь-сталь-латунь [178], в котором для повышения качества ленты, путём улучшения сцепления кромок, перед прокаткой кромки лент нагревают на ширине 0,05...0,1 ширины ленты до температуры 100... 150 С. Кромки лент нагревали после сборки пакета непосредственно перед плакированием в П-образном индукторе, мощностью 10 кВт. Результаты испытаний образцов лент, изготовленных по предлагаемому способу, приведены в табл. 3.4. Анализ результатов испытаний показывает, что прочное сцепление по кромкам сплакированных лент достигается при нагреве кромок до температуры 100... 150 С на ширине участка в интервале 0,05...0,1 ширины ленты. При плакировании стали цветными металлами совместной холодной прокаткой, высокие единичные обжатия приводят, с одной стороны, к возможности появления значительного адгезионного взаимодействия на границе инструмент-плакирующии металл, с другой стороны - высока вероятность проскальзывания валков, что особенно проявляется при попытке получения асимметричных слоистых композиций. Вероятность проскальзывания валков можно снизить за счёт увеличения переднего натяжения полосы, но это приводит к снижению удельных давлений на межслойной границе в очаге деформации, а, следовательно, к уменьшению прочности сцепления основы с покрытием, т.е. к снижению одного из основных параметров биметалла. Кроме того, само по себе обеспечение больших удельных натяжений представляет определённую техническую трудность. В процессе исследований был разработан способ получения асимметричных слоистых лент [179], при котором холодную прокатку осуществляют через подслой, выполненный из более мягкого металла (покрытия) и расположенного со стороны более твёрдого слоя. Целенаправленное выравнивание энергосиловых условий взаимодействия на контактных поверхностях валков с пакетом обеспечивает приближение процесса прокатки к симметричному, за счёт нанесения на поверхность основы, не контактирующей с плакирующим металлом, тонкого металлического слоя из материала покрытия (рис. 3.10, а). Кроме того, подслой можно наносить и на рабочую поверхность валков (рис. 3.10, 6). В этом случае для снижения влияния наклёпа подслой на поверхность валка можно наносить непрерывно, тем самым постоянно обновляя поверхность подслоя и поддерживая механические свойства наносимого слоя на одном уровне.
Для предотвращения налипания плакирующего металла на валки (например, при плакировании стали никелем), исследовали влияние тонких металлических слоев на адгезионное взаимодействие рабочей поверхности валка с плакирующим металлом. Для выявления материала покрытия, имеющего наименьшее адгезионное взаимодействие с никелем, произведены исследования на испытательной машине СМЦ-2 по схеме «диск-колодка» и на двухвалковом лабораторном стане (диаметр валков 250 мм). Эти случаи отвечают крайним условиям трения, соответственно жёстким и мягким.
Экспериментальное плакирование стали латунью с предварительным нанесением латунного подслоя на стальную основу в промышленных условиях
При исследовании различных технологических процессов, в которых составной частью входит операция нанесения тонких металлических покрытий вращающимися металлическими щетками [110], обозначились ряд особенностей этого процесса. Так, при прямоугольном сечений бруска металла покрытия (отношение ширины к высоте прямоугольника b/h 2), наблюдается неравномерность прогрева материала бруска по сечению, что приводит к значительной неравномерности нанесения покрытия и его разнотолщинност-и, кроме того, происходит повышенный износ ворса щетки [100, 111, 185].
Для устранения этих недостатков прямоугольный брусок был заменён цилиндрическим и установлен в узле подачи металла покрытия с возможностью вращения вокруг продольной оси. В одном случае цилиндрический брусок приводится во вращение за счет его смещения относительно средней плоскости ворса щетки, в другом случае вращение осуществляется принудительно от специального двигателя [186].
При использовании вращающегося бруска в форме цилиндра было замечено, что в начальный период - в период приработки торцевой поверхности бруска с поверхностью щетки, нанесение происходит более интенсивно. В дальнейшем, по мере приработки, интенсивность нанесения снижается, при этом торцевая поверхность бруска принимает сферическую форму. Решено было "убрать" сердцевину и изготовить брусок полым [187]. Такая конструкция узла подачи металла покрытия использована в установке для нанесения покрытий на бронекабельную ленту (ТУ 14-4-1580-89). Узел подачи металла покрытия [188] состоит из сварного корпуса 1 (рис. 4.5) с цилиндрическими направляющими 10 для электродвигателя 7. Пружины 8 служат для поджатия бруска 2 к щётке 3, усилие прижатия регулируется гайками 9. Электродвигатель соединен с бруском специальной упругой муфтой 5.
Впоследствии цилиндрический полый брусок "развернули" и получили брусок прямоугольного сечения с соотношением сторон b/h 2. В частности, для определения технологических параметров нанесения покрытий на плоские поверхности, например, на поверхность ленты.
На опорной раме (рис. 4.6) расположены подающие ролики, на которые опирается плоский брусок металла покрытия. К опорной раме шарнирно присоединена прижимная рама, на которой, в свою очередь, так же установлены подающие ролики и прижимной механизм для осуществления прижатия бруска металла покрытия к щетке. Механизм для прижатия бруска включает в себя электродвигатель постоянного тока, редуктор и вал, на котором установлены несколько дисковых цилиндрических маленьких щеток, непосредственно контактирующих с бруском металла покрытия, прижимающих его к щётке.
Данное устройство подачи металла покрытия позволяет испытывать различные материалы для нанесения, варьировать шириной и толщиной бруска. За счет изменения величины напряжения на входе электродвигателя можно менять усилие прижатия бруска к щетке в широких пределах.
При нанесении покрытий на широкие ленты (шириной более 100 мм) необходимо, с одной стороны, обеспечить равномерное прижатие щётки к поверхности ленты, а с другой стороны - равномерное прижатие бруска к щётке, что можно достичь применением многосекционного бруска, с возможностью независимого перемещения друг от друга отдельных его частей.
Для обеспечения перечисленных требований спроектировано специальное устройство [185], которое представляет из себя следующую конструкцию (рис. 4.7). В массивном стальном основании 1 выполнены три прямоугольных сквозных отверстия 2, в которых, как в направляющих, перемещаются бруски 3 металла покрытия. По краям отверстий 2 высверлены (не до конца) отверстия 4, в которых установлены прижимные пружины сжатия. С целью установки пружин 5 достаточной длины (для получения более мягких характеристик) отверстия 4 как бы удлинены стаканами 6. В торцах стаканов 6 установлены регулировочные винты 7, которыми через шайбы 8 и пружины 5 можно регулировать усилие прижатия бруска 3 к щетке 9.
