Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Оценка качества сталемеднои продукции и особенности технологии ее производства 8
1.1. Анализ требований стандартов к показателям качества сталемедной продукции 8
1.2. Анализ технологий производства сталемедной проволоки 15
1.3. Факторы, определяющие прочность соединения компонентов сталемедной катанки в технологии твердофазного соединения 22
1.4. Выводы и постановка задач исследований 31
ГЛАВА 2. Разработка математической модели управления качеством сталемедной катанки 34
2.1. Стабильность процесса прокатки как критерий эффективности управления качеством сталемедной катанки 35
2.2. Математическая постановка M-D модели стохастической оптимизации процесса прокатки сталемедной катанки 42
2.3. Математическая постановка комплексного критерия оптимизации процесса прокатки сталемедной катанки 47
2.4. Методика числовой формализации качества соединения компонентов сталемедной катанки 51
2.5. Выводы по главе 56
ГЛАВА 3. Влияние химического состава медной ленты на качество соединения компонентов в сталемедной катанке 58
3.1. Оценка влияния химического состава медной ленты на качество соединения компонентов сталемедной катанки 58
3.1.1. Оценка качества соединения компонентов сталемедной катанки в зависимости от химического состава медной ленты Гайского завода ОЦМ з
3.1.2. Оценка качества соединения компонентов сталемедной катанки в зависимости от содержания фосфора в медной ленте различных изготовителей 69
3.1.3. Оценка качества соединения компонентов сталемедной катанки в зависимости от содержания серы в медной ленте Кировского завода ОЦМ 73
3.2. Анализ стохастичности элементов химического состава медной ленты и оценки качества соединения компонентов сталемедной катанки 76
3.2.1. Методика оценки стохастичности содержания примесей в медной ленте и оценки качества соединения компонентов сталемедной катанки 76
3.2.2. Результаты исследования стохастичности содержания примесей в медной ленте различных изготовителей 79
3.2.3. Плотность вероятностного распределения оценки качества соединения компонентов в сталемедной катанке
3.3. Решение задачи стохастической оптимизации количества содержания примесей в медной ленте различных изготовителей 83
3.4. Выводы по главе 87
ГЛАВА 4. Влияние механических свойств и структурного состоянрія медной ленты на качество соединения компонентов в сталемедной катанке 89
4.1. Оценка качества соединения компонентов сталемедной катанки в зависимости от механических свойств медной ленты 89
4.2. Стохастическая оптимизация значений временного сопротивления медной ленты 94
4.3. Металлографические исследования структуры исходной медной ленты 98
4.4. Исследования состояние поверхности медной ленты 104
4.5. Металлографические исследования структуры медной оболочки 109
4.6. Выводы по главе 118
ГЛАВА 5. Промышленная реализация решений, обеспечивающих повышение качества соединения компонентов сталемеднои катанки 120
5.1. Совершенствование режимов подготовки медной ленты при обработке ее поверхности щетками 121
5.2. Совершенствование процесса аргонодуговой сварки кромок медной ленты 126
5.3. Совершенствование температурно-скоростного режима электролитно-плазменного нагрева заготовки 129
5.4. Разработка усовершенствованного агрегата электролитно-плазменного нагрева заготовки стана ПСБ 133
5.5. Эффективность технических и технологических решений при их внедрении в производство ЗМИ ЗАО «Профит» 135
Заключение 138
Библиографический список
- Факторы, определяющие прочность соединения компонентов сталемедной катанки в технологии твердофазного соединения
- Математическая постановка M-D модели стохастической оптимизации процесса прокатки сталемедной катанки
- Оценка качества соединения компонентов сталемедной катанки в зависимости от содержания фосфора в медной ленте различных изготовителей
- Стохастическая оптимизация значений временного сопротивления медной ленты
Введение к работе
Актуальность работы. Современный этап стабильного функционирования и развития многих отраслей промышленности требует производства композиционных слоистых материалов, сочетающих в себе высокие электропроводные и прочностные свойства. Наибольшее и все возрастающее применение находит сталемедная проволока, как класс слоистых композиционных материалов. Она используется в качестве проводниковых и силовых элементов подвески контактной сети электрифицированных железных дорог, телефонных проводов, специальных микрокабелей, авиа- и сейсмографических кабелей, выводов радиодеталей и компонентов электронной техники. При этом к сталемедной биметаллической проволоке предъявляются все более жесткие требования по качеству, особенно при применении в изделиях, предназначенных для оборонной промышленности и авиации.
Наиболее прогрессивные технологии производства сталемедной катанки, как сырья для изготовления биметаллической сталемедной продукции, базируются на процессах твердофазного соединения при совместной прокатке основы (стального сердечника) и плакирующего слоя (сплошной медной оболочки), причем сталемедная заготовка получается оборачиванием медной ленты вокруг стального сердечника. Однако при всех преимуществах данного технологического процесса, схема твердофазного соединения имеет ряд недостатков, связанных с непредсказуемым и регулярно повторяющимся отсутствием адгезионной связи между компонентами композиции, выявляющимся на всех стадиях производства сталемедной продукции.
Температурно-скоростные условия, наряду с деформационными условиями, являются определяющими в вопросе достижения качественного соединения компонентов сталемедной композиции. Специфика нагрева, связанная с высокой интенсивностью подвода тепла, предопределяет высокие требования к постоянству свойств и теплотехнических характеристик соединяемых материалов. При этом очевидно, что физические, химические и теплотехнические свойства материалов могут претерпевать изменения под влиянием меняющихся условий нагрева и зависят от исходного (случайно-вероятностного) химического состава металлов, особенностей их внутреннего строения, состояния поверхностей и т.д.
Поэтому решение проблем повышения качества сталемедной катанки на базе развития и совершенствования технических и технологических параметров групп управления качеством, является важной и актуальной научно-технической задачей. Стабильность достижения высоких качественных показателей сталемедной катанки позволит не только увеличить экономическую эффективность и результативность производства биметаллов отдельного предприятия, но и улучшить зксплуатаійЩ^га^ЩЩт|л^сей сталемедной
БИБЛИОТЕКА |
продукции, оказывать положительное влияние на развитие экономики региона и всей страны.
Цель и задачи исследований. Целью диссертации является повышение качества соединения компонентов в сталемедной катанке за счет регламентации свойств медной ленты и совершенствования технологии плакирования на основе оценки стабильности процесса прокатки в условиях математической неопределенности.
Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:
- формализация стабильности процесса прокатки, как критерия эффек
тивности управления качеством соединения компонентов сталемедной ка
танки, и разработка математической модели стохастической оптимизации
процесса прокатки;
- статистическая оценка влияния на критерий оптимизации химиче
ского состава и механических свойств медной ленты, определяющих получе
ние заданного уровня качественных показателей сталемедной катанки;
экспериментальные исследования влияния структурных особенностей медной ленты на качество соединения компонентов сталемедной катанки;
совершенствование технологии и оборудования для промышленного производства качественной сталемедной катанки.
Научная новизна заключается в следующем:
-
Разработан обобщенный алгоритм управления качеством сталемедной катанки в технологии твердофазного соединения, где в качестве критерия эффективности управления используется оценка стабильности процесса плакирования.
-
Предложена и формализована оценка стабильности процесса прокатки, как критерий эффективности управления качеством соединения компонентов сталемедной катанки.
-
Разработана математическая модель стохастической оптимизации, целью которой является получение регламентированных значений параметров состояния медной ленты, обеспечивающих высокое качество соединения компонентов сталемедной катанки в технологии твердофазного соединения.
Практическая ценность работы:
1. Разработаны и согласованы с заводами-изготовителями новые технические требования на медную ленту для производства качественной сталемедной катанки, регламентирующие:
химический состав (железа не более 0,005%, никеля не более 0,001%, фосфора не более 0,011%, свинца не более 0,0025%, цинка не более 0,0025%, серы не более 0,0028%);
значения временного сопротивления (230-250 МПа);
микротвердость (не более 10 МПа);
размер зерна (не более 6-8 баллов).
2. Повышены уровень качества соединения компонентов в сталемедной катанке, а также стабильность процесса плакирования за счет следующих технологических и технических мероприятий:
совершенствования процесса поверхностной обработки медной ленты с применением абразивно-нейлоновых щеток;
совершенствования процесса аргонодуговой сварки кромок медной ленты с применением двух сварочных горелок;
- разработки и изготовления нового агрегата электролитно-
плазменного нагрева, позволяющего реализовать усовершенствованный ре
жим ступенчатого нагрева, что обеспечивает полный и равномерный прогрев
по сечению и длине сталемедной заготовки.
Реализация работы. Внедрение новых технических и технологических решений в производство ЗМИ ЗАО «Профит» позволило снизить количество технологических отходов сталемедной катанки и биметаллической продукции с 7,6% до 3,2%; повысить экономическую эффективность производства биметаллической продукции за счет применения медной ленты марки М2 взамен марки Ml и на 8,2% снизить затраты на производство биметаллической продукции; расширить сортамент биметаллической продукции за счет освоения производства провода ПБСМЭ с повышенной электропроводностью и эластичностью.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на ежегодных традиционных научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова с 1989 по 2005 гг.; на Международных и Российских научно-технических конференциях: «Новые технологии получения слоистых материалов и композиционных покрытий», Сочи, 1992 г.; четвертой школе-семинаре «Фазовые и структурные превращения в сталях» (п. Кусимово, Башкортостан, 2004 г.); на научно-технических советах ЗМИ ЗАО «Профит» (Магнитогорск 2002-2005гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы: 5 патентов РФ и 7 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, изложена на 148 страницах машинописного текста (не включая приложений), иллюстрирована 46 рис., содержит 29 табл., библиографический список включает 89 наименований.
Факторы, определяющие прочность соединения компонентов сталемедной катанки в технологии твердофазного соединения
В настоящее время разработки в области получения прочного соединения элементов сталемедных композиций основываются на теории совместной пластической деформации разных металлов (СПДРМ), предложенной Г.Э. Аркули-сом [37, 38], а также энергетической гипотезе, предложенной А.П. Семеновым [39]. Энергетический подход к процессам твердофазного соединения металлов, как частный случай топохимических реакций, получил широкое развитие в работах М.Х. Шоршорова, Ю.Л. Красулина [40-42], Э.С. Каракозова [40, 43, 44], В.Л. Стеблянко [8], В.Н. Анциферова [45] и других авторов.
По сущности физико-химических явлений, протекающих в зоне контакта поверхностей, процесс соединения разделяют на три основных стадии [41]: образование физического контакта, активация контактных поверхностей и объемное взаимодействие. С точки зрения СПДРМ [37] компоненты биметалла проходят в очаге деформации стадии избирательной деформации, неравномерной и равномерной совместной пластической деформации.
Протекание стадий образования соединения и его прочность, как с точки зрения теории топохимической реакции, так и теории СПДРМ, зависит от тем-пературно-скоростных условий деформирования [46-48], определяющих напряженно-деформированное состояние металлов в очаге деформации, и предварительной обработки контактирующих поверхностей [49-52], определяющей структурно-энергетическое состояние приповерхностных слоев.
Необходимым и достаточным условием схватывания контактных поверхностей является увеличение энергии поверхностных атомов, находящихся в физическом контакте, на величину энергии активации [40, 43, 44], которая предельно оценивается как половина энергии сублимации, т.е. энергии, необходимой для разрыва половины связей атома. В работе [40] отмечается, что в условиях деформационного взаимодействия металлов, имеют место две энергетические характеристики процесса активации: - энергия активации пластической деформации, обуславливающая частоту появления активных центров в зоне физического контакта металлов; - энергетический барьер, определяемый физико-химическим состоянием поверхностей, при достижении которого в пределах активного центра возможно образование новых связей между металлами, т.е. соединения.
В работе [53] отмечается, что поглощенная в процессе совместной пластической деформации металлов энергия затрачивается на увеличение плотности дислокаций и концентрации вакансий, а также на увеличение количества дефектов и текстурирование. Все эти процессы активируют поверхностный слой металла и определяют характер взаимодействия при соединении. Склонность металла к соединению, в первую очередь, определяется величиной поглощенной при пластической деформации энергией [43], которая будет тем больше, чем большей способностью обладает металл образовывать точечные дефекты и дефекты упаковки. В работе [54] экспериментально подтверждены основные механизмы, определяющие процесс соединения в твердой фазе на примере диффузионной сварки бескислородной меди: пластическая деформация, поверхностная диффузия и объемная диффузия. В этой же работе отмечается, что при осуществлении процесса соединения при повышенных температурах, определяющую роль играют деформационные механизмы.
Существенное влияние параметров состояния контактных поверхностей, обусловленное их предварительной обработкой, отмечается в работах [49-51]. Механическое [49, 50] и электрофизическое [51] воздействие на поверхность приводит к удалению поверхностных слоев, изменению шероховатости и неоднородному упрочнению.
В работе [55] установлено, что при увеличении шероховатости поверхности, изменяется характер течения приконтактных слоев металла и интенсифицируется процесс разрушения оксидных пленок. Для использования положительного влияния этого эффекта на процесс соединения металлов целесообразно создавать определенную шероховатость исходных поверхностей, которая приводит к дополнительной деформации приконтактных объемов, улучшающих условия образования физического контакта.
Исследования Арефьева Б.А., представленные в работе [56], свидетельствуют о значительном вкладе в процесс соединения исходного энергетического состояния металла. У металлов с предварительной обработкой поверхностей увеличена запасенная внутренняя энергия и процессы физико-химических изменений в таких металлах, приводящих к образованию зоны соединения, будут проходить при меньших затратах энергии.
В работе В.Л. Стеблянко [8] отмечается, что уменьшение свободной энергии активации процесса соединения помимо совместной пластической деформации происходит за счет таких технологических операций, как предварительная очистка поверхностей компонентов и безокислительный нагрев.
Процессы релаксации напряжений, рекристаллизации и гетеродиффузии, происходящие на стадии объемного взаимодействия, согласно [46, 57], счита 25 ются основными факторами, ответственными за образование прочного соединения, а необходимость развития или ограничения этих процессов при соединении разнородных металлов определяется свойствами зоны соединения и фазовым составом данной зоны.
С.А. Голованенко [46, 47] отмечает существенное влияние температуры совместной деформации компонентов на протекание физико-химических процессов, определяющих прочность твердофазного соединения. По его данным прочность соединения стали Ст. 3 с медью значительно возрастает при увеличении температуры совместной горячей прокатки и достигает 140-170 МПа при температуре 850 С и степени деформации 20%.
Э.С. Каракозов считает [44], что при соединении металлов прокаткой, ввиду малой длительности взаимодействия компонентов в очаге деформации, при определенных температурно-скоростных условиях деформирования релаксационные процессы развиться не успевают, и стадия объемного взаимодействия заканчивается схватыванием контактных поверхностей.
Не менее важным, чем выбор эффективного процесса очистки и активации контактных поверхностей, имеет вопрос использования в поточной технологии скоростного процесса нафева сталемеднои заготовки, режимы которого согласуются с параметрами деформации [58].
Поскольку температурно-скоростные условия, наряду с деформационными условиями, являются определяющими в вопросе достижения требуемого качества соединения элементов сталемеднои композиции, рассмотрим более подробно технологические и технические особенности данного этапа в производстве слоистых материалов.
Одним из эффективных способов является электролитно-плазменный на-фев (ЭПН), который имеет к.п.д. до 45% [59], удельные значения расхода электроэнергии 150-250 кВт-ч/т и скорость нафева 10-150 фад/с. Афегаты элек-тролитно-плазменного нафева отличаются компактностью и простотой [59], требуют минимум вспомогательных систем, а электролит представляет собой саморегенерирующийся раствор нейтральных солей. Разработанные уста 26 новки ЭПН [60] позволяют проводить термообработку стальных деталей и стальной проволоки с высокими скоростями нагрева и низкими энергозатратами.
Однако, специфика электрофизических и электрохимических процессов, протекающих при электролитно-плазменном нагреве (связанная с высокой интенсивностью подвода тепла), предопределяет высокие требования к постоянству свойств и теплотехнических характеристик соединяемых материалов, т.е. результат нагрева ставится в зависимость от свойств материалов, входящих в композицию. При этом очевидно, что физические, химические и теплотехнические свойства материалов могут претерпевать изменения под влиянием меняющихся условий нагрева, химического состава металлов, особенностей их внутреннего строения, состояния поверхностей и т.д.
Например, в работе [61] отмечается, что коэффициент теплопроводности всех известных веществ является функцией не только температуры, но и химического состава, структуры и состояния вещества, внешних воздействий и т.д. Так, изменение теплопроводности меди в зависимости от ее химического состава иллюстрирует рис. 1.6.
Математическая постановка M-D модели стохастической оптимизации процесса прокатки сталемедной катанки
Комплексный критерий оптимизации в задаче стохастической оптимизации процесса прокатки сталемедной катанки может быть получен как сумма критериев для отдельно взятых моделей с соответствующими весовыми коэффициентами. Однако в рассматриваемой задаче целевые функционалы принадлежат различным функциональным пространствам (если для М - модели это численное значение соответствующей величины, то для D - модели, это квадрат данного значения), что затрудняет построение обобщенного функционала и вызывает большие математические трудности при решении общей оптимизационной задачи. Кроме того, построение обобщенного функционала в виде линейной комбинации отдельно взятых моделей с соответствующими весовыми коэффициентами вводит ничем не оправданное предположение о линейной зависимости комплексного критерия оптимизации от частных критериев для конкретных типов моделей.
Воспользуемся подходом к построению такого критерия, который опирается на предпосылку о том, что элементами исследования являются не числа, а нечеткие множества [69, 80, 81].
Под нечетким множеством А понимается совокупность пар вида (U,JUA{U)), где ueU. Для рассматриваемых задач U - множество элементов (обычное множество), a juA {и) - это функция принадлежности нечеткого множества , которая определяется следующим образом: juA :U - [0,l]. Для произвольного элемента и функция принадлежности определяет степень его принадлежности множеству U.
Если элементами и eU считать значения целевых функций для различных типов моделей, то под функцией принадлежности удобно понимать полезность (важность) соответствующего критерия оптимизации конкретной модели. Так, например, в качестве функции принадлежности можно выбирать экспертные оценки значимости конкретных моделей оптимизации. В этом смысле функцию принадлежности удобнее было бы определить как функцию полезности. Отметим, что при математических постановках функция принадлежности от функции полезности ничем не отличается.
В рассматриваемой задаче нечеткое множество А, согласно определению, приведенному выше, состоит из двух пар (М и D - модели) и может быть записано в виде:
А= \JjuA(a,)/at. (2.26) Для решения задачи стохастической оптимизации необходимо определить процедуру сравнения нечетких чисел на нечетком множестве. В теории нечетких множеств для этих целей была определена некоторая четкая функция от нечетких аргументов, которая независимо от соотношения носителей нечетких чисел, однозначно определяет отношение порядка между ними (индекс ранжирования). Значение индекса ранжирования для конкретной пары нечетких аргументов дает основание для решения вопроса о том, какое из двух чисел меньше [80-82].
Используя подход М.Б. Гитмана [80-81] было предложено использовать нечеткое множество, элементами которого будут величины, определенные ниже. При этом в силу того, что значимость каждой соответствующей составляющей двух нечетких чисел Аг и Вг (при произвольных управлениях) будет постоянной, индекс ранжирования может быть построен следующим образом: причем, C,=Mi{a;-b;)/dt, (2.28) где / - доставляет тахшДя[ -b -Jldi в (2.28), //,- функция принадлежности (значимость) а] (или Ъ\). В уравнении (2.28) величина d( находится как максимальное значение [а?,Ь{),т.е. d,=max(a{,b;)t (2.29) где / є [l,ftj, п - количество пар, определяющих нечеткое множество. При этом, если значение / единственно и если signC ="+", то Аг Вг; если signC ="-", то Аг ВГ. Если значение / не единственно, то определяется к - количество равных по модулю максимумов (к п) и вычисляется X=Y.signCi. (2.30) 1=1 Если А = 0, то АҐ=ВҐ; если Л 0, то Аг ВГ; если Л 0, то Аг В\ Следует отметить, что по существу jUj представляет собой экспертные оценки. В силу нечеткости таких оценок представляется целесообразным формулировать многокритериальную задачу стохастической оптимизации с использованием комплексного критерия качества и индекса ранжирования типа (2.27-2.30) при //, =1, / = 1,и. Кроме того, методика решения задачи, приведенная выше, может быть успешно применена для задачи многокритериальной оптимизации и в детерминированном случае. Таким образом, если интересует минимизация комплексного критерия оптимизации (ККО), то в качестве целевой функции в рассматриваемой задаче, когда п — 2 необходимо выбрать нечеткое множество вида: А = {juA {м/ $(S\ S))/ Mf fc(4 S] MA {D/ (X(4 S))/ Df fa), s)}. (2.31) При численной реализации процедуры оптимизации для сравнения значений целевой функции, которые с математической точки зрения в данном случае представляют собой нечеткие множества, необходимо использовать индексы ранжирования (2.30). Получаемое в результате решения задачи значение минимума целевой функции, позволяет не только найти управление, доставляющее этот минимум, но и ответить на вопрос, с каким уровнем надежности получаемое распределение решения можно считать соответствующим тому распределению, необходимо хотели достичь. Другими словами, с каким уровнем значимости выдвинутая гипотеза принимается.
Таким образом, управление качеством сталемедной катанки сводится к процедуре оптимизации параметров управления технологическим процессом производства сталемедной катанки, а также параметров состояния материалов и биметаллической заготовки (формовки), обеспечивающих достижения минимума комплексного критерия оптимизации (2.31).
Следующим этапом построения математической модели управления качеством сталемедной катанки является разработка алгоритма представления лингвистического понятия «качественное соединение» в числовое множество (числовая формализация данного понятия) на основе обработки и анализа статистических данных.
Оценка качества соединения компонентов сталемедной катанки в зависимости от содержания фосфора в медной ленте различных изготовителей
Еще одним важным параметром состояния медной ленты является ее механические свойства, которые регламентирует ГОСТ 1173-93. Данным стандартом оговариваются диапазоны временного сопротивления ав, а также относительное удлинение 8 для различных состояний поставок (мягкое, полутвердое, твердое). В действующей технологии производства сталемедной катанки на ЗМИ ЗАО «Профит» в качестве исходного сырья используется медная лента в мягком состоянии, для которого значения Ув должны находиться в диапазоне 200 - 260 МПа, а д принимать значения не менее 36%. Задачей настоящих исследований является установление статистических закономерностей между качеством соединения компонентов сталемедной катанки и механическими свойствами медной ленты, обозначенными в сертификатах изготовителей данного вида продукции.
Для решения поставленной задачи исходная информация по механическим свойствам ставилась в соответствие с качеством соединения компонентов сталемедной катанки по соответствующей партии ленты. Оценкой качества соединения компонентов сталемедной катанки служило среднее значение по партиям медной ленты, определенное в главе 3 диссертационной работы.
При формировании статистической информации указывался минимальный, максимальный и средний уровни из диапазонов значений временного сопротивления и относительного удлинения по рассматриваемым партиям. Среднее значение определялось как среднеарифметическое между максимальным и минимальным значениями диапазона соответствующего механического свойства. Предварительная обработка данных включала в себя также определение аб 90 солютной разности максимального и минимального значения диапазона соответствующего механического свойства рассматриваемой партии ленты. В соответствии с результатами представленных ранее исследований о влиянии на качество соединения компонентов сталемедной катанки (см. п. 3.1) свойств ленты, полученной от различных предприятий изготовителей, рассмотрено влияние механических свойств партий Гайского и Кировского заводов ОЦМ с выделением их в отдельные группы.
Результаты расчетов коэффициента парной корреляции между оценкой качества соединения компонентов сталемедной катанки и механическими свойствами участвующих в анализе партий медной ленты по изготовителям представлены в виде корреляционных таблиц (табл. 4.1 и 4.2) и на рис. 4.1, соответственно, для Гайского и Кировского заводов ОЦМ Как следует из приведенных таблиц и рисунка, влияние механических свойств медной ленты производства Кировского завода ОЦМ не оказывает существенного влияния на качество соединения компонентов сталемедной катанки, в отличие от влияния данных показателей ленты Гайского завода.
Наиболее существенное и значимое отрицательное влияние на качество соединения компонентов сталемедной катанки для ленты Гайского завода ОЦМ оказывает увеличение значений временного сопротивления (как верхнего, так нижнего и среднего значений диапазона). Для ленты этого изготовителя характерен достаточно большой разброс значений временного сопротивления, что определяет положительную корреляцию при расширении диапазона данного механического свойства на исследуемый показатель качества. В тоже время увеличение диапазона между верхним и нижним пределами значений относительного удлинения оказывает отрицательное статистически значимое влияние на качество соединения компонентов сталемедной катанки. Влияние на качество соединения компонентов сталемедной катанки верхнего и нижнего значений диапазонов временного сопротивления и среднего значения относительного удлинения медной ленты Гайского завода ОЦМ иллюстрирует рис. 4.2. Таблица 4.1 Значение коэффициентов корреляции между оценкой качества соединения компонентов сталемеднои катанки и механическими свойствами медной ленты Гайского завода ОЦМ Механическоесвойство меднойленты Характеристика свойства Значениекоэффициентакорреляции Временное сопротивление Нижний предел значений -0,515 Верхний предел значений -0,4491 Среднее значение -0,48874 Диапазон между верхним и нижним пределами значений 0,043149 Относительное удлинение Нижний предел значений -0,1466022 Верхний предел значений -0,3278769 Среднее -0,2502656 Диапазон между верхним и нижним пределами значений -0,559524
Стохастическая оптимизация значений временного сопротивления медной ленты
Кроме того, микроанализ показал также (рис. 4.13, ж\ АЛА, ж; 4.15, а - в), что даже в партиях продукции с высокой оценкой качества соединения компонентов (например, К-529) в формованной заготовке обнаруживается зазор между медной оболочкой и стальным сердечником. Он особенно велик в партиях с наиболее низкой оценкой качества соединения компонентов (например, Г-813).
Микротвердость меди в области шва составляла около 10 МПа. В микроструктуре сварных швов наблюдаются канавки травления, которые представляют собой, очевидно, зоны срастания первичных кристаллитов, представляющие собой обогащенные примесями ликвационные участки, и более тонкие границы зерен (рис. 4.13, г, е\ 4.14, в, г; 4.15, г, ё). Этот эффект травления также связывают со скоплением примесей в результате их сегрегации в приграничных зонах с искаженной решеткой. Наиболее интенсивное травление канавок наблюдалось в партии Г-813 с более низким показателем качества соединения компонентов, что, возможно, свидетельствует о большей загрязненности меди примесями.
Микроанализ показал, что наблюдаются существенные различия в форме шва, различная по величине, неравномерная ширина швов, глубина проплавлення (рис. 4.13. б, 4.14. д, 4.14. е, 4.15. б). Кроме того, в структуре швов обнаруживаются поры, что является свидетельством насыщения сварочной ванны газами, которые не успевают выделиться из металла шва вследствие его быстрого затвердевания.
Таким образом, анализ микроструктуры и твердости медной оболочки после формовки заготовки позволяет сделать заключение, что вне области сварного шва существенных изменений микроструктуры и твердости меди не выявлено.
Однако следует отметить, что в микроструктуре медной оболочки наблюдаются разнородные участки, как по величине зерна, морфологии, так и по твердости. Это может оказать влияние на поведение меди при горячей прокатке. Особенно необходимо учесть, что нагрев сердечника происходит через медную оболочку, теплофизические характеристики которой, как известно, существенно зависят от ее структуры, в частности от размера зерна. Кроме того, условия теплопередачи, несомненно, будут резко ухудшаться при наличии зазора. Эти особенности могут влиять на степень прогрева сердечника, ухудшая качество соединения. Обнаруженные существенные неоднородности строения сварных швов даже в одной партии продукции свидетельствуют о нестабильности параметров режима сварки медной ленты при формовке заготовки, что может отрицательно влиять на свойства биметаллического соединения в целом.
Микроструктура медной оболочки после горячей прокатки приведена на рис 4.16. В партиях с низкой оценкой качества соединения компонентов (в частности, Г-813) структура более неоднородная. При этом в зоне отслоения медной оболочки (в зоне «уса») обнаруживается более мелкозернистая структура (рис. 4.16, г). В партиях, где сцепление было хорошим, микроструктура оказалась более однородной, что объясняется более однородной пластической деформацией по сечению медной оболочки и (или) лучшим прогревом медной компоненты при горячей прокатке, что обеспечивает более полное протекание динамической рекристаллизации в ходе прокатки.
Это может быть объяснено следующим образом. В ходе горячей пластической деформации при не слишком высоких температурах (500 С) рекристал-лизуется только медь с мелким зерном (менее 10 мкм). Медь с более крупным зерном - не рекристаллизуется, т.е. не снижается упрочнение, достигнутое в ходе деформации, что связано с большей плотностью дислокаций в исходном мелкозернистом материале. При высоких температурах (800 С и выше) усиливается миграция границ зерен, плотность дефектов у границ зерен снижается и рекристаллизация протекает за счет накопления деформации внутри зерен. Поэтому в одинаковой степени рекристаллизуется и мелкозернистая, и крупнозернистая медь. 117 Рис. 4.16. Микроструктура медной оболочки после горячей прокатки заготовки партии К-529 а, в, д и Г-813 б, г, е: а, б, г -х 50; в, д, е -х 200 При последующей горячей деформации, когда в ходе деформации может произойти охлаждение (например, во второй клети), рекристаллизация участков структуры с крупным зерном не происходит. В результате после горячей деформации получается разнозернистая структура, которая неоднородна по пластическим характеристикам, что может повлиять, как уже отмечалось, на качество соединения меди со стальным сердечником.
В исследуемом случае, когда перед горячей прокаткой в микроструктуре меди наблюдается разнозернистость, связанная в том числе и с особенностями формовки заготовки (сварки медной ленты), при горячей деформации степень протекания динамической рекристаллизации в участках с разной величиной зерна, видимо, различна. Этому может способствовать охлаждение меди до температуры ниже 800 С. Подтверждением этого может служить наблюдающаяся неоднородность микроструктуры по сечению медной заготовки после прокатки. В медной оболочке в одной заготовке могут обнаруживаться крупные зерна с характерными двойниками отжига, подобными двойникам рекристалли-зационного отжига (рис. 4.16, д, ё), имеющие микротвердость 8,3-9,0 МПа, что свидетельствует о протекании динамической рекристаллизации в ходе пластической деформации. Наряду с такими участками наблюдаются области с мелким зерном, имеющие микротвердость 9,4-10,4 МПа, в которых динамическая рекристаллизация, очевидно, не завершилась (рис. 4.16, в). Такая неоднородность свойств по сечению медной оболочки и может приводить к ее отслоению.
Следовательно, выявленные особенности микроструктуры медной оболочки после горячей прокатки позволяют сделать заключение о необходимости предотвращения или, по крайней мере, уменьшения возможности формирования разнозернистой структуры в ходе деформации за счет улучшения степени прогрева заготовки и (или) обеспечения большей однородности распределения температуры в ходе прокатки в очагах деформации.
Увеличение значений временного сопротивления (как верхнего, так и нижнего уровней диапазона) оказывает существенное и статистически значимое отрицательное влияние на качество соединения компонентов сталемедной катанки при использовании ленты Гайского завода ОЦМ- На основании решения задачи стохастической оптимизации получены желательные значения границ верхнего и нижнего уровней диапазона значений временного сопротивления, что позволило согласовать с заводами изготовителям медной ленты новые технические требования, регламентирующие уровень указанных механических свойств в диапазоне 230-250 МПа.
Установлено, что на качество соединения компонентов в сталемедной катанке отрицательное влияние оказывают высокая твердость (более 10 МПа) и крупное зерно (менее 6-го балла) исходной медной ленты. С заводами изготовителями медной ленты согласованы новые технические требования, регламентирующие уровень данных параметров состояния медной ленты в диапазонах: твердость - не более 10 МПа, балл зерна - не более 6-8 баллов.
На основании проведенных исследований установлено, что на качество соединения компонентов в сталемедной катанке влияет дефектность поверхности медной ленты, связанная, с неполнотой протекания процесса рекристаллизации при отжиге у изготовителя данного вида сырья.
