Разработка технологии и инструмента для непрерывного деформационного получения ультрамелкозернистой структуры стального сердечника при производстве высокопрочной сталемедной проволоки

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 патентиро-вания биметаллической заготовки невозможно в силу ряда технологических особенностей. К данным ограничениям можно отнести: снижение адгезионной прочности компонентовохрупчивание проволоки в процессе «осветления» при прохождении ее в горячем состоянии через спиртовой растворобразование химических соединений на поверхности медной оболочки в процессе патенти-рования 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 технологиче-' ских и технических мероприятий, адаптированных к условиям полномасштабного метизного производства и позволяющих получать высокие механические свойства стапемедной проволоки, является важной и актуальной задачей для экономики РФ.

Настоящая работа выполнялась в рамках ряда программ, финансируемых из средств федерального бюджета, что подтверждает актуальность и высокую научно-техническую значимость развиваемого направления, в том числе:

• «Создание научных основ технологий получения наноструктурных стальных проволок для производства высокопрочных канатов и биметаллической сталемедной продукции высокого качества» — Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы».

• «Разработка методов получения объемных металлических наноструктурных материалов для инновационного применения» — Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы».

• Всероссийский конкурс по Программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса („У.М.Н.И.К.“)».

• «Создание научных основ эволюции структуры и свойств наноструктурных конструкционных сталей в процессе обработки давлением» — Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010 годы)».

• «Развитие методов деформационного наноструктурирования для получения конструкционной стальной проволоки с уникальным комплексом механических свойств» — Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы".

Таким образом, целью работы является разработка непрерывной деформационной схемы и инструмента для' ее реализации, позволяющих формировать УМЗ структуру стального сердечника для гарантированного достижения высоких прочностных свойств сталемедной продукции. Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие основные задачи:

1. Исследование эволюции структуры и свойств стального сердечника и сталемедной проволоки в процессе пластической деформации непрерывным способом равноканальной угловой свободной протяжки (РКУ протяжка).

2. 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.

3. Разработка технологической схемы производства ультрамелкозернистой высокопрочной сталемедной 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.

3.5. Выводы по главе.

1. С использованием прикладных программ Microsoft Excel разработана методика автоматического расчета и построения проектировочных схем, учитывающих основные геометрические параметры инструмента, предназначенного для РКУ протяжки сталемедной проволоки разных диаметров.

2. В зависимости от соотношения диаметров каналов инструмента и их взаимного расположения разработаны 3 варианта конструкции, предназначенной для РКУ протяжки (в том числе проволоки малого диметра). А именно:

— диаметр наклонного канала инструмента изменяется в зависимости от диаметра входного отверстия;

— диаметры входного и выходного каналов равны между собой. Пересечение каналов и образование очага деформации достигается смещением осей их симметрии друг относительно друга на некоторую величину;

— диаметры входного и выходного каналов инструмента равны между собой. Пересечение каналов и образование очага деформации достигается совмещением осей их симметрии друг с другом.

3. С использованием принципов планирования полного факторного эксперимента проведено моделирование процесса РКУ протяжки стальной проволоки в программном комплексе Deform-3D. Исследовано НДС обрабатываемого материала в зависимости от следующих параметров: степень заполнения инструмента протягиваемой заготовкойугол пересечения каналов инструментатолщина пластин, образующих инструментрадиус скруглений кромок каналов.

4. Предложена методика критериальной оценки результативности процесса РКУ протяжки, основанная на комплексном анализе технологической стабильности, формализуемой отношением значений временного сопротивления к интенсивности напряжений на выходе из инструмента, а также критериев достижения необходимой степени и однородности НДС материала в очагах деформации, формализуемых соблюдением условия пластичности Губера-Мизеса, снижением градиента интенсивности напряжений, действующих на поверхности и в центре проволоки, стремлением интенсивности деформации сдвига к максимальной величине.

5. На основе анализа результатов моделирования процесса РКУ протяжки стальной проволоки в программном комплексе Deform-3D разработана конструкция технологического инструмента, обеспечивающего непрерывность и эффективность процесса РКУ протяжки стальной проволоки диаметром 4,7 мм и сталемедной проволоки лиаметром 1,0 мм.

6. Посредством моделирования процесса волочения и испытания на одноосное растяжение биметаллической заготовки в программном комплексе Deform-3D выполнен сравнительный анализ прогнозируемых прочностных свойств сталемедной проволоки с сердечником из традиционной и УМЗ стали марки 10. Показано, что использование УМЗ стали целесообразно и может обеспечить существенное (до 35%) повышение прочностных свойств сталемедной проволоки при сохранении марочного состава материалов композиции.

ГЛАВА 4. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ.

По результатам проведенных исследований была разработана технологическая схема производства сталемедной проволоки ПБ-0,20 с сердечником из УМЗ низкоуглеродистой стали, основанная на интеграции способа РКУ протяжки в процессы волочения и адаптированная к условиям предприятий метизной отрасли.

В настоящем разделе диссертационной работы представлены конструкции технологического инструмента, предназначенного для реализации РКУ протяжки проволоки разных диаметров, особенности технологических режимов получения высокопрочной сталемедной проволоки ПБ-0,20, а также основные результаты внедрения разработанных технологических решений и технических средств в условиях ООО «ЗМИ-Профит» (г. Магнитогорск).

4.1. Разработка конструкции и выбор материала инструмента, предназначенного для РКУ протяжки проволоки.

Одним из главных результатов исследования является разработка высокотехнологичного инструмента, используемого в составе традиционного волочильного оборудования и обеспечивающего непрерывность процесса обработки проволоки способом РКУ протяжки.

Для реализации РКУ протяжки проволоки предлагается использовать специально разработанный инструмент, конструкция которого подлежит защите охранным документом (рис. 4.1). Устройство работает следующим образом: в приёмный канал 4 помещают заострённую заготовку и, далее, перемещают её по промежуточному 5 и выходному 6 каналам к барабану волочильного стана. При деформировании заготовка дважды изменяет направление течения на угол <р и извлекается из выходного канала. При изменении направления течения осуществляется сдвиговая деформация, обуславливающая упрочнение материала заготовки. Для формирования равномерной УМЗ структуры материала деформирование осуществляется неоднократно, после чего заготовка подвергается волочению по традиционному маршруту, обеспечивающему получение проволоки заданного диаметра.

Рис. 4.1. Конструкция технологического инструмента, предназначенного для РКУ протяжки проволоки.

Как видно из рисунка, матрица состоит из приёмной 1, промежуточной 2 и выходной 3 частей, в которых выполнены приемный 4, промежуточный 5 и выходной 6 каналы. Ось симметрии 7 приёмного канала и ось симметрии 8 выходного канала выполнены параллельно друг другу и разнесены на расстояние K=(0,5.1,5)L, где L — расстояние между стенками приёмного канала. Внутренний угол ср составляет 90. 120°. 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 D] [мм], используемого при изготовлении инструмента. Размер большой оси эллипса Н = D,/cos (180°- 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.

Рис. 4.2. Конструкция технологического инструмента, предназначенного для.

РКУ протяжки тонкой проволоки.

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, износои 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 давлениемспособность 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 использованы 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате решения задач по разработке непрерывной деформационной схемы и инструмента для ее реализации, позволяющих формировать УМЗ структуру стального сердечника для гарантированного достижения высоких прочностных свойств сталемедной продукции, можно сделать следующие основные выводы:

1. На основе комплексного анализа особенностей существующих деформационных способов формирования УМЗ структуры, а также с учетом перспективных направлений их развития предложен и научно обоснован непрерывный способ равноканальной угловой свободной протяжки (РКУ протяжка) сталемедной проволоки.

2. В ходе комплекса экспериментальных исследований влияния РКУ протяжки на эволюцию структуры и изменение механических свойств длинномерных изделий доказана принципиальная возможность и эффективность использования предлагаемого непрерывного способа для формирования УМЗ структуры и повышения прочностных свойств сталемедной проволоки.

3. Посредством дифракционного электронно-микроскопического анализа и исследования распределения микротвердости по сечению стальной проволоки диаметром 5,0 мм, подвергнутой 10-ти циклам РКУ протяжки, выявлены неоднородность структуры в поперечном сечении проволоки и закономерность преимущественного упрочнения ее поверхности (прирост микротвердости поверхности проволоки относительно центральной области составляет более 1000 МПа).

4. Посредством аппроксимации данных пластометрических исследований получены феноменологические уравнения состояния традиционной и УМЗ стали марки 10, отражающие характер и степень изменения прочностных свойств заготовок в процессе обработки давлением.

5. С использованием прикладных программ Microsoft Excel разработана методика автоматического расчета и построения проектировочных схем, учитывающих основные геометрические параметры инструмента, предназначенного для РКУ протяжки сталемедной проволоки разных диаметров.

6. Предложена методика критериальной оценки результативности процесса РКУ протяжки, основанная на комплексном анализе технологической стабильности, формализуемой отношением значений временного сопротивления к интенсивности напряжений на выходе из инструмента, а также критериев достижения необходимой степени и однородности НДС материала в очагах деформации, формализуемых соблюдением условия пластичности Губера-Мизеса, снижением градиента интенсивности напряжений, действующих на поверхности и в центре проволоки, стремлением интенсивности деформации сдвига к максимальной величине.

7. На основе анализа результатов моделирования процесса РКУ протяжки стальной проволоки в программном комплексе Deform-3D разработана конструкция технологического инструмента, обеспечивающего непрерывность и эффективность процесса РКУ протяжки стальной проволоки диаметром 4,7 мм и сталемедной проволоки диаметром 1,0 мм.

8. Разработана и апробирована в условиях ООО «ЗМИ-Профит» технологическая схема производства ультрамелкозернистой сталемедной проволоки ПБ-0,20 с сердечником из УМЗ низкоуглеродистой стали, основанная на интеграции способа РКУ протяжки в процессы волочения и адаптированная к условиям предприятий метизной отрасли. Физико-механические свойства полученной проволоки соответствуют требованиям ТУ 14−4-691−75, в том числе: временное сопротивление композиции принимает значение 1370 МПаэлектрическое сопротивление — 1,64 Ом/мчисло скручиваний на 360°- 20 раз, навивание на собственный диаметр — удовлетворительно.