CC BY
31
УДК 621.778
ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЬНО-КОМБИНИРОВАННОГО ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ ПРОВОЛОКИ* ПО СХЕМЕ «КВАДРАТ-КРУГ»
Харитонов В.А., Галлямов Д.Э.
ФГБОУВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.П.Носова», г. Магнитогорск, Россия
В процессе волочения стальной проволоки происходит интенсивный рост прочности с существенным снижением пластичности. Повышение ресурса пластичности позволило бы осуществлять волочение проволоки с большей суммарной деформацией и снизить затраты при ее переработке.
В настоящее время единственным способом изготовления проволоки является волочение в монолитных волоках. Этот способ позволяет получать проволоку различного назначения в широком диапазоне размеров и свойств. Основными преимуществами способа являются высокое качество поверхности, точность размеров готовой проволоки, теоретическая изученность, простота и отлаженность технологического процесса, наличие разнообразного серийно выпускаемого оборудования. Наряду с достоинствами у традиционного волочения имеются и существенные недостатки: неблагоприятная схема напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, определяемая растягивающими напряжениями, высокое контактное трение на границе металла и волоки, вызывающее деформационное старение металла, дополнительный сдвиг поверхностных слоев относительно центральных, являющийся причиной их повышенного упрочнения. К другим недостаткам можно отнести монотонность процесса деформации, неравномерность деформации из-за неполной проработки сечения, значительная зависимость от масштабного фактора. Результатом влияния этих факторов является снижение деформируемости металла и снижение его ресурса пластичности. Поэтому совершенствование процесса волочения в основном заключается в разработке и применении более качественных волочильных смазок, улучшении конструкций волочильного инструмента, повышении эффективности охлаждения проволоки и волок.
Из альтернативных методов распространение получило только волочение через неприводные роликовые волоки, которое достаточно широко используется для производства низкоуглеродистой проволоки и, особенно, холоднодеформированной арматурной низкоуглеродистой проволоки. Более благоприятная схема НДС, определяемая преимущественно напряжениями сжатия, использование активных сил трения (исключается их вредное влияние) положительно сказывается на деформируемости и пластичности проволоки. В отличие от традиционной прокатки, где имеются области внеконтактной деформации с преобладанием растягивающих напряжений, в закрытых калибрах роликовых волок происходит максимальный охват заготовки и за счет всестороннего обжатия растягивающие напряжения подавляются [1].
Что касается других способов производства проволоки - безфильерного волочения или волочения с наложением ультразвуковых колебаний, то они широкого применения в промышленности не получили.
В настоящее время распространение получило еще одно направление изготовления проволоки - создание комбинированных процессов, объединяющих способы обработки металлов давлением с различной схемой напряженно-деформированного состояния в очаге деформации. Смена направления течения металла, появление новых систем скольжения способствуют повышению пластических характеристик проволоки. В результате получается новый интегральный процесс, обладающий в силу синергетического эффекта новым комплексом свойств. При комбинированном нагружении за счет изменения схем деформации появляется возможность управления напряженно-деформированным состоянием заготовки и получения свойств проволоки, которые недоступны при традиционном способе. Важным преимуществом комбинированных процессов является возможность формирования ультрамелкозернистой микроструктуры с повышением механических свойств проволоки [2, 3].
На основе имеющейся технической информации и выполненного анализа [4, 5] авторами статьи предложен новый способ комбинированного волочения [6, 7, 8, 9]. В основе способа лежит идея разделить деформацию за проход, при одновременном ее увеличении по сравнению с используемой при традиционном волочении, на две составляющие, одна из которых будет определяться сжимающими напряжениями, а другая растягивающими, т.е. объединить волочение в роликовых и монолитных волоках. Известно, что как при волочении в монолитных волоках, так и при волочении в роликах невозможно управлять напряженно-деформированным состоянием в очаге деформации. Но это можно сделать при их комбинировании. Причем процесс комбинированного волочения строится на базе традиционного многократного волочения и для его реализации используется имеющееся волочильное оборудование.
Принципиальная схема комбинированного способа волочения приведена на рисунке. Согласно схемы заготовка круглого сечения (катанка, передельная проволока) поступает в неприводную роликовую волоку, где формируется промежуточный профиль, далее который протягивается через монолитную волоку и проволока получает круглое сечение. Процесс волочения через обе волоки осуществляется традиционно с помощью волочильного барабана. Таким образом, предложенный способ представляет собой последовательную дефор-
мацию волочением в роликовои и монолитнои волоках, осуществляемую за счет приложенного к переднему концу проволоки вытягивающего усилия. Обжатие за проход распределено между неприводной роликовой во-локой, где преобладает схема напряженного состояния всестороннего сжатия, и монолитной волокой с двухсторонним сжатием и одноосным растяжением, причем основным процессом является стандартное волочение. Форма промежуточного профиля, получаемого в роликовой волоке, может быть любой (круг, правильный многоугольник). Должно выполняться главное условие - разделение общей деформации за проход на две части, имеющие разные схемы напряженного состояния.
При этом процесс изготовления проволоки, как и в случае традиционного волочения, остается многократным. Требуется только установка на каждом блоке волочильной машины специализированных волочильных модулей и значительного переоборудования не требуется. Подготовка поверхности заготовки осуществляется химическим способом или механическим в линии волочильной машины.
Были проведены промышленные эксперименты и выполнено теоретическое обоснование комбинированного процесса. В качестве промежуточного профиля был выбран невыполненный квадрат. Это связано с простотой его получения в имеющихся 4-х роликовых неприводных клетях типа TURKS HEAD. Кроме того выбор формы промежуточного профиля основывался на рекомендациях по прокатке проволоки в многовалковых калибрах [10] и собственных исследованиях [11]
Схема совмещение-комбинированного способа волочения
Проведенные эксперименты подтверждают, что предложенный способ позволяет получать стальную проволоку более высокого качества, чем при традиционном волочении, и в первую очередь проволоку больших диаметров [8]. Образцы проволоки диаметром 3,20 мм и 4,00 мм из стали марки 70 и диаметром 5,00 мм из стали марки 75 были изготовлены двумя способами: стандартным волочением в монолитных волоках и совмещенным способом в роликовой и монолитной волоках. В экспериментах в качестве промежуточного профиля, получаемого в неприводной роликовой клети, был использован невыполненный квадрат. Затем был проведен сравнительный анализ механических свойств изготовленных образцов проволоки. У проволоки диаметром 3,20 мм, изготовленной как стандартным, так и комбинированным волочением, прочностные и пластические свойства практически одинаковы. Наоборот, у проволоки диаметром 4,0 мм изготовленной комбинированным способом наблюдается рост числа перегибов в среднем на 15,9 %, а числа скручиваний - на 14,6 %. Это свидетельствует о ее лучшей проработке по сечению и большей равномерности механических свойств по длине. Проволока диаметром 5,0 мм, полученная совмещенным способом, при равных значениях удлинения, сужения и предела прочности выдержала большее число скручиваний на 8,9 %. Результаты эксперимента подтверждают целесообразность применения комбинированного волочения при изготовлении проволоки диаметром более 4,0
По результатам компьютерного моделирования методом конечных элементов в программном комплексе БЕРОИМ-ЗО было установлено, что комбинированный способ позволяет обеспечить хорошую проработку сечения проволоки т.к. в монолитной волоке преимущественно прорабатываются поверхностные слои проволоки, а в роликовой волоке - внутренние слои. Факт лучшей проработки проволоки по сечению при комбинированном нагружении подтверждают и другие исследования [1, 12].
Моделированием волочения квадратной полосы через монолитную волоку установлено, что для невыполненного квадрата НДС в очаге деформации имеет вид близкий к волочению «круг в круг» и зависит от коэффициента заполнения К3. Наиболее благоприятные условия в монолитной волоке можно обеспечить при волочении промежуточного квадратного профиля со степенью заполнения калибра К3 < 0,9. В результате проведенных исследований разработана методика определения частных вытяжек и их распределения в модуле между операциями протяжки в роликах и монолитной волоке, необходимая для построения маршрутов комбинированного волочения. Для этого на основе обработки экспериментальных данных и результатов производственных замеров геометрических параметров квадратной проволоки, изготовленной в неприводной 4-х роликовой
клети типа TURKS HEAD, получены зависимости коэффициента заполнения калибра К3 от величины коэффициента вытяжки и
К3 =-137,28// +64ЭДЗ//3 -1129,3//2 +881,11¡л-256,935
Положительное влияние процесса волочения с комбинированным нагружением на свойства стальной среднеуглеродистой проволоки для холодной высадки отмечено в работе [12], в которой на основании численной модели и экспериментального исследования показано, что волочение через чередующиеся монолитные волоки с круглым и овальным рабочим каналом (процесс non-circular drawing или NCD) позволяет достигнуть большей равномерности распределения пластической деформации по сечению проволоки в сравнении с обычным волочением. При NCD волочении происходит чередование растягивающих и сжимающих напряжений из-за изменения геометрии канала волок. Результаты исследований доказывают, что NCD волочение за счет накопления энергии деформации позволяет ускорить сфероидизацию перлита при конечной операции отжига.
Сравнивая разработанный авторами данной статьи способ комбинированного волочения с процессом NCD, отметим его принципиальные отличия. Во-первых, промежуточный профиль у нас принят в виде невыполненного квадрата, что обеспечивает более равномерную проработку сечения проволоки в монолитной волоке. Во-вторых, выполненные исследования [11] показывают, что волочение овального профиля через круглую монолитную волоку приведет к значительной неравномерности деформации по сечению проволоки. Возникающие при этом напряжения из-за расклинивающего действия овала на волоку могут привести к ее разрушению. Кроме того, при волочении овального профиля через волоку с круглым отверстием на выходе из деформационной зоны наблюдается рост напряжения волочения. Поэтому для снижения напряжения волочения целесообразно получать при прокатке промежуточный профиль с максимально возможным числом сторон. В-третьих, промежуточный профиль - многоугольник легче получить, если использовать роликовые волоки или современные роликовые микрокассеты.
При разработке способа комбинированного волочения авторами решалась задача получения холоднотянутой высокопрочной стальной углеродистой проволоки с повышенным ресурсом пластичности. Как показывают проведенные исследования, эта задача была выполнена. Но результаты, приведенные в работе [12, 13], позволяют сделать вывод, что разработанный способ комбинированного волочения может быть успешно применен для изготовления проволоки для холодной высадки со структурой сфероидизированного перлита, а также может облегчить получение аналогичной структуры на высокоуглеродистой проволоке, например, игольной по ГОСТ 5468-88.
Выводы и рекомендации.
1. Комбинированный способ волочения позволяет управлять напряженно-деформированным состоянием металла в очаге деформации и обеспечивает повышение механических свойств и эксплуатационных характеристик проволоки.
2. Преимуществом способа является легкая встраиваемость модулей в существующее волочильное оборудование с минимальными затратами на переоборудование, совместимость со скоростями грубого и среднего волочения проволоки, отсутствие необходимости синхронизации скорости волочения в роликовой и монолитной волоках.
3. Обеспечивается более полная проработка сечения проволоки, чем при традиционном волочении.
4. В качестве инструмента для волочения целесообразно применение современных роликовых микрокассет любой конструкции, позволяющих получать профили-многогранники близкие к окружности, что будет способствовать снижению неравномерности деформации и нагрузки на волочильный инструмент. Применение в модуле микрокассет с заданной калибровкой значительно упростит настройку маршрутом волочения
"Работа проведена в рамках реализации госзадания № 11.1525.2014К от 18.07.2014 г.
Список литературы
1. Харитонов В.А., Таранин И.В. Исследование эффективности совмещенно-комбинированных способов деформации при производстве проволоки // Труды XIX междунар. науч.-практ. конф. «Металлургия: технологии, инновации, качество «Металлургия-2015» / под ред. Е.В. Протопопова, часть 2. СибГИУ, Новокузнецк, 2015. С. 65-69.
2. Харитонов В.А., Усанов М.Ю.. Состояние и направления развития непрерывных способов нанострук-турирования круглой проволоки // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013. № 3. С. 69-73.
3. Влияние комбинированных методов деформационной обработки на механические свойства углеродистой проволоки / М. В. Чукин, М.А. Полякова, А.Е. Гулин, Д.Г. Емалеева // Черные металлы. 2014. № 12. С. 3539.
4. Харитонов В.А. Галлямов Д.Э. Исследование эффективности способов волочения стальной проволоки // Вестник «НТУ ХПИ». 2012. № 46 (952). С. 192-198.
5. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Влияние масштабного фактора на выбор способа волочения проволоки // Заготовительные производства в машиностроении. 2014. № 3. С. 34-37.
6. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э.. Анализ влияния способа деформации на уровень свойств стальной проволоки // Качество в обработке материалов. 2014. № 1. С. 42-48.
7. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Исследование совмещенного процесса «прокатка-волочение» при изготовлении стальной проволоки // Производство проката. 2014. № 4. С. 18-23.
8. В.А. Харитонов, Д.Э. Галлямов. Оценка эффективности изготовления стальной проволоки совмещенным способом «прокатка-волочение» // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2014. № 12. С. 15-21.
9. Галлямов. Д.Э., Харитонов В.А. Повышение конкурентоспособности проволоки на основе комбинирования способов ОМД // Материалы 73-ей Междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» / под ред. В.М. Колокольцева, том 1. Магнитогорск, 2015. С. 108-111.
10. Поляков М.Г., Никифоров Б.А., Гун Г.С. Деформация металла в многовалковых калибрах. М., Металлургия, 1979. 240 с.
11. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Выбор рациональной формы промежуточного профиля при изготовлении стальной проволоки совмещенным способом «прокатка-волочение // Производство проката. 2015. № 3. С. 30-33.
12. Но Seon Joo, Sun Kwang Hwang, Hyun Moo Baek, Yong-Taek Im, Il-Heon Son, Chul Min Bae. The effect of a non-circular drawing sequence on spheroidization of medium carbon steel wires. Journal of Materials Processing Technology. 216 (2015) 348 - 356.
13. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. повышение комплекса механических свойств стальной проволоки на основе разработки совмещено-комбинированного способа волочения // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2016. № 1 (44). С. 43-48.
УДК 669.017:620.197
ПОТЕНЦИОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЛАВА АЖ 4.5, ЛЕГИРОВАННОГО СВИНЦОМ В СРЕДЕ ЭЛЕКТРОЛИТА NaCl
*Одинаев Ф.Р., Ганиев И.Н., *Сафаров А.Г., Якубов У.Ш.
Институт химии им. В. И. Никитина АН Республики Таджикистан *Физико-технический институт им. С. У. Умарова АН Республики Таджикистан
Введение
Железо всегда присутствует в алюминии, т.к. является преобладающей примесью технического алюминия. Он попадает в алюминий из сырья, а также при использовании стальной оснастки при плавке и литье [1].
При изучении физико-химических свойств высокопрочных, высокопроводящих сплавов алюминия с железом выявлено, что с ростом содержания железа повышается вязкость расплавов, снижается теплопроводность, увеличивается электросопротивление, значительно повышается предел ползучести, тогда как предел усталости снижается, благодаря присутствию фазы FeAl3 [1].
При легировании алюминия железом электродный потенциал изменяется незначительно, т.к. потенциал фазы FeAl3 равен -0,4 + -0,5 В, а у алюминия - 0,8 В, разность потенциалов 0,4 В между алюминием (матрицей) и фазой FeAl3 снижает коррозионную стойкость сплавов [2]. Влияние фазы FeAl3 достаточно велико, т.к. несколько сотых долей процента железа входят в состав твердого раствора, сегрегируя по границам зерен и субзерен, что может привести к межкристаллитной коррозии (МКК) [3]. Последующие добавки, которые образуют дисперсные частицы Fe А13, меняют характер коррозии от межкристаллитной до питтинговой [2].
Ранее нами было изучено влияние добавок железа (до 3 мас.%) на анодное поведение алюминия в среде 3 %-ного электролита NaCl и установлено, что рост содержания железа в алюминии закономерно сдвигает потенциалы свободной коррозии, питтингообразования и репассивации в положительную область значений. Показано, что минимальная скорость коррозии сплавов приходится на сплав эвтектического состава с 2,18 % Fe [2].
Авторами [4] изучено влияние железа (до 5,0 мас.% Fe) к алюминию на дифференц-эффект, выражающийся в изменении скорости саморастворения при анодной поляризации. Показано, что, чем выше содержание железа в алюминии, тем более положительными устанавливаются потенциалы. Коррозионный процесс определяется скоростью растворения из пассивного состояния.
Авторы [5, 6] изучали стационарные потенциалы сплавов системы Fe-Al в 0,5 М растворе NaCl (рН = 6,9) и показали, что добавки железа к алюминию смещают в положительную область потенциал свободной коррозии, т.е. введение в алюминий железа незначительно изменяет активность компонентов сплава. Максимальный сдвиг потенциала отвечает образованию интерметаллического соединения FeAl3.
Целью настоящей работы является исследование анодного поведения сплава АЖ4,5 (алюминий +4,5 мас.% Fe), легированного свинцом, в среде электролита NaCl, различной концентрации. Сплав АЖ4,5 извлекался непосредственно из одной электролизных ванн алюминиевой компании «ГУП ТАЛКО».
