close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Влияние интерметаллидных фаз на процесс вытяжки с последующей протяжкой тонколистовых заготовок из алюминиевого сплава 3104 и совершенствование технологии их производства

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Андрианов Алексей Владимирович
ВЛИЯНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ФАЗ НА ПРОЦЕСС ВЫТЯЖКИ
С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ПРОТЯЖКОЙ ТОНКОЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК
ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 3104 И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
05.02.09 – Технологии и машины обработки давлением
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара – 2018
Работа выполнена на кафедре обработки металлов давлением федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский
национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева».
Научный руководитель:
Гречников Федор Васильевич - академик РАН, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», кафедра обработки металлов давлением, заведующий кафедрой.
Официальные оппоненты:
Галкин Виктор Иванович - доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», кафедра
«Технологии и системы автоматизированного проектирования металлургических процессов», профессор;
Гладков Юрий Анатольевич - кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», кафедра
МТ-6 «Технологии обработки давлением», доцент.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
(г. Магнитогорск).
Защита состоится 30 ноября 2018 г. в 1000 на заседании диссертационного совета
Д 212.215.03, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский
университет имени академика С.П. Королева», по адресу: 443086, г. Самара, Московское
шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного
автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» и на сайте
http://ssau.ru/resources/dis_protection/andrianov/.
Автореферат разослан 2 октября 2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент
2
Я.А. Ерисов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В последние годы в России активно развивается отрасль
производства алюминиевых банок под напитки. На территории Российской Федерации в
Московской, Ленинградской, Челябинской и Ростовской областях находится пять заводов, каждый из которых выпускает порядка одного миллиарда банок в год. Начиная с
2000 года АО «Арконик СМЗ» (Самарский металлургический завод) выпускает ленту для
производства корпусов банок, на 100% обеспечивая потребности внутреннего рынка, а
также экспортируя часть продукции на заводы, расположенные в Польше и Финляндии.
Основным параметром, влияющим на устойчивость процесса вытяжки корпусов
банок, является толщина исходной ленты. В связи с необходимостью снижения металлоемкости банок за последние 15 лет толщина ленты снизилась на 20% с 0,30 до 0,24 мм,
что накладывает на ленту взаимоисключающие требования, такие как высокая прочность
при обеспечении достаточной пластичности. Кроме того, качество поверхности, механические характеристики и фестонистость ленты должны обеспечивать бесперебойную работу штамповочного оборудования с допустимым уровнем разрывов не более четырех на
100 тысяч изготовленных банок. Более того, уменьшение толщины ленты привело к необходимости учитывать влияние ее структуры, в частности, морфологии интерметаллидных
фаз, на процесс вытяжки с последующей многопереходной протяжкой.
Так, на рубеже 2012-2013 годов все российские заводы по производству алюминиевых банок столкнулись с проблемой П-образного разрыва корпуса банки по образующей, возникающего на расстоянии 120 мм от дна банки. Суммарный объем некондиционной продукции составил 1120 тонн. При этом инициаторов разрушения в виде дефектов литья и прокатки обнаружено не было: толщина, механические свойства и фестонистость ленты полностью соответствовали требованиям спецификации. В связи с
этим было сделано предположение о влиянии интерметаллидных фаз на устойчивость
процесса вытяжки с последующей протяжкой.
Таким образом, определение влияния критических размеров, формы и распределения интерметаллидных фаз в ленте из алюминиевого сплава 3104 на процесс вытяжки
с последующей протяжкой является весьма актуальной задачей.
Степень разработанности темы. В настоящее время накоплен достаточный объем
данных по исследованию процессов пластической деформации, в частности, вытяжки.
Изучению напряженно-деформированного состояния на различных этапах вытяжки, в том
числе с принудительным утонением, посвящены работы Ю.А. Аверкиева, М.Е. Зубцова,
И.А. Норицына, Е.А. Попова, А.Д. Томленова, и др. Существенный вклад в изучение предельных деформационных возможностей материала заготовки в процессе вытяжки внесли
Ю.М. Арышенский, В.Ю. Арышенский, Ф.В. Гречников, Г.Я. Гун, В.Л. Колмогоров,
А.Д. Томлёнов и др., которыми определены макромеханика и критерии разрушения, в том
числе учитывающие анизотропию свойств. Однако, в работах указанных авторов не рассматриваются вопросы влияния структуры материала на процесс вытяжки.
Вопросам влияния микроструктуры сплавов серии 3ххх на процесс вытяжки с последующей протяжкой посвящены работы таких ученых как D.S. Hodgson, W.F. Hosford,
T.N. Rouns, W.B. Sanderson, E.J. Westerman и др., в которых основное внимание уделяется исследованию влияния интерметаллидных фаз на процесс самоочистки инструмента
от заалюминивания при вытяжке. При этом в указанных работах отмечается, что данные
включения могут оказывать значительное влияние на процесс деформирования и даже
приводить к разрушению. Однако, информация о каких-либо требованиях к морфологии
интерметаллидных фаз отсутствует. Поэтому в данной работе данная проблема будет
рассмотрена более подробно.
3
Область исследования соответствует п. 1 «Закономерности деформирования материалов и повышения их качества при различных термомеханических режимах, установление оптимальных режимов обработки» паспорта специальности 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением.
Объект исследования: процесс вытяжки с последующей протяжкой тонких лент
из алюминиевых сплавов.
Предмет исследования: влияние морфологии интерметаллидных фаз на напряженно-деформируемое состояние и вероятность разрушения в процессе вытяжки с последующей протяжкой.
Целью диссертационного исследования является повышение качества изделий
за счет устранение П-образных разрывов при вытяжке с последующей протяжкой алюминиевых банок путем выявления причин разрушения, их связи с морфологией интерметаллидных фаз и управления формированием интерметаллидных фаз при прокатке
тонколистовых заготовок.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
1. Провести анализ причин, приводящих к разрушению алюминиевых банок в
процессе вытяжки с последующей протяжкой.
2. Разработать компьютерную модель процесса многопереходной вытяжки с последующей протяжкой и провести анализ напряженно-деформированного состояния с
целью оценки вероятности разрушения алюминиевой банки.
3. Разработать методику расчета напряженного состояния стенки банки в процессе вытяжки с последующей протяжкой с учетом реальной структуры заготовки, в том
числе морфологии ее интерметаллидных фаз.
4. Выявить закономерности влияния размеров, формы и распределения интерметаллидных фаз на вероятность разрушения алюминиевых банок в процессе вытяжки с
последующей протяжкой.
5. Исследовать формирование морфологии интерметаллидных фаз на всех этапах производства тонколистовых заготовок и разработать комплекс мер, обеспечивающих производство тонколистовых заготовок с оптимальной морфологией интерметаллидных фаз для вытяжки с последующей протяжкой.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований,
включающий компьютерное моделирование методом конечных элементов и экспериментальную проверку полученных результатов в промышленных условиях. Анализ
напряженно-деформированного состояния при вытяжке с последующей протяжкой проводился в программном комплексе PAM-Stamp 2G; напряженное состояние на границах
интерметаллидных фаз оценивалось в программном комплексе MSC.Marc; определение
критического размера фаз, приводящего к разрушению при вытяжке, проводилось в
программном комплексе DEFORM 2D. Предельные возможности формоизменения при
вытяжке с протяжкой оценивались с помощью критерия исчерпания запаса пластичности В.Л. Колмогорова.
При проведении исследований механических свойств, фестонистости и микроструктуры использовалось современное испытательное и аналитическое оборудование
Центральной заводской лаборатории АО «Арконик СМЗ», Самарского государственного
технического университета, а при проведении моделирования - лицензионное программное обеспечение Самарского университета. Окончательные экспериментальные исследования проводились в производственных условиях на действующем оборудовании.
4
Научная новизна:
1. На основании разработанной компьютерной модели, учитывающей особенности процесса многопереходной вытяжки с последующей протяжкой алюминиевых банок, проведен анализ напряженно-деформированного состояния по переходам, оценена
вероятность разрушения, установлено наиболее опасное сечение.
2. Разработана методика расчета напряженного состояния стенки банки в процессе вытяжки с последующей протяжкой с учетом реальной структуры заготовки, в том
числе морфологии ее интерметаллидных фаз.
3. Выявлены закономерности влияния размеров, формы и распределения интерметаллидных фаз на вероятность разрушения алюминиевых банок в процессе вытяжки с
последующей протяжкой, что позволило установить механизм возникновения Побразных разрывов и определить критический размер интерметаллидных фаз.
4. Исследовано формирование интерметаллидных фаз на всех этапах производства тонколистовых заготовок и разработаны рекомендации, обеспечивающие производство тонколистовых заготовок с оптимальной морфологией фаз для вытяжки с последующей протяжкой.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Разработана двухэтапная методика анализа процесса вытяжки с последующей
протяжкой алюминиевых банок, основанная на конечно-элементном анализе напряженно-деформированного состояния и заключающаяся в выявлении потенциально опасных
мест на первом этапе и детальном анализе вероятности разрушения в этих местах с учетом морфологии интерметаллидных фаз на втором. Данная методика применима для
анализа различных процессов листовой штамповки с целью оптимизации структуры заготовки.
2. Установлено, что причиной возникновения П-образных разрывов при вытяжке с последующей протяжкой алюминиевых банок является выкрашивание грубых интерметаллидных фаз, определен их критический размер.
3. Установлены зоны залегания грубых интерметаллидных фаз по высоте и
длине слитка из сплава 3104 и эволюция их размеров при последующей горячей и холодной прокатке.
4. Проведена корректировка технологии производства тонких лент из сплава
3104, заключающаяся в фрезеровке больших граней слитка на определенную глубину,
обеспечивающую требуемый размер интерметаллидных фаз.
Положения, выносимые на защиту.
1. Причины возникновения П-образных разрывов в процессе вытяжки с последующей протяжкой алюминиевых банок.
2. Результаты анализа напряженно-деформированного состояния в процессе вытяжки с последующей протяжкой.
3. Методика расчета напряженного состояния стенки банки в процессе вытяжки
с последующей протяжкой с учетом реальной структуры заготовки, в том числе морфологии ее интерметаллидных фаз.
4. Закономерности влияния размеров, формы и распределения интерметаллидных фаз на вероятность разрушения алюминиевых банок в процессе глубокой вытяжки.
Критический размер интерметаллидных фаз, приводящий к возникновению П-образных
разрывов.
5. Результаты исследования эволюции морфологии интерметаллидных фаз на
всех этапах производства тонколистовых заготовок из сплава 3104.
5
6. Усовершенствованная технология, обеспечивающая производство тонколистовых заготовок с оптимальной морфологией интерметаллидных фаз для вытяжки с
последующей протяжкой.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные результаты работы доложены на следующих международных научных конференциях: VI Международная научно-техническая конференция «Металлдеформ» (г.Самара, 2015 г.). IV Международная конференция «Информационные технологии в промышленности и производстве» (г. Томск, 2016 г.); Первый международный конгресс «Процессы пластического
деформирования авиакосмических материалов. Наука, технология, производство» (г.
Самара, 2017 г.). Разработанная технология апробирована и внедрена в производство на
АО «Арконик СМЗ».
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 научных работах,
из которых 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ; 2 статьи в
изданиях, индексируемых Scopus/Web of Science.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения,
5 глав, общих выводов и списка использованных источников в количестве 90 наименований, 6 приложений. Работа изложена на 157 страницах и содержит 140 рисунков и 23
таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена цель и поставлены основные задачи, дана краткая характеристика работы, включающая научную
новизну, теоретическую и практическую значимость, основные положения, выносимые
на защиту.
В первой главе приведена характеристика основной операции процесса производства алюминиевых банок под напитки - многопереходной вытяжки с последующей
протяжкой. Проведен анализ различных дефектов, возникающих на этой стадии и причин их образования. На данный момент отсутствует объяснение возникновения Побразных разрывов по образующей на расстоянии 120 мм от дна банки.
В многочисленных исследованиях процесса вытяжки, в том числе с принудительным утонением, рассмотрены вопросы взаимосвязи напряженно-деформированного состояния с технологическими параметрами процесса и свойствами заготовки (Ф.В. Гречников, М.Е. Зубцов, А.Д. Томленов, Е.П. Унксов и др.), так и вопросы, посвященные
устойчивости процесса и деформационным возможностям материала (Ю.А. Аверкиев,
Ю.М. Арышенский, В.Ю. Арышенский, Г.Я. Гун, В.Л. Колмогорова, Е.А. Попов, С.П.
Яковлев и др.). Однако методы и подходы, предложенные в этих работах, не позволяют
выполнить анализ напряженно-деформированного состояния рассматриваемого процесса вытяжки с последующей протяжкой, а значит, и объяснить возникновение
П-образных разрывов. Решение такой сложной задачи возможно выполнить только с
использованием современных программных комплексов, основанных на методе конечных элементов.
Кроме того, т.к. анализ механических свойств и фестонистости ленты не выявил
каких-либо отклонений, приводящих к появлению указанного дефекта, то для более
глубокого анализа требуется исследовать влияние микроструктуры заготовки на процесс
вытяжки с последующей протяжкой. Более того, в работах D.S. Hodgson, W.F Hosford,
T.N. Rouns, W.B. Sanderson, E.J. Westerman и др., посвящённых исследованию влияния
основной структурной составляющей сплавов серии 3ххх - интерметаллидных фаз
Al6(Fe, Mn) и Al12(Fe, Mn)3Si - на процесс самоочистки инструмента от заалюминивания,
6
было сделано предположение о том, что данные включения могут оказывать значительное влияние на процесс вытяжки с протяжкой и даже приводить к разрушению.
Таким образом, объяснение механизма возникновения П-образного разрыва в
процессе вытяжки с последующей протяжкой возможно только с использованием методов компьютерного моделирования. При этом разрабатываемая модель должна учитывать реальную структуру деформируемой заготовки, а именно, морфологию интерметаллидных фаз. Это позволит сформулировать требования к размеру, форме и распределению интерметаллидных фаз в заготовке, что создаст возможность контролировать получение заданной морфологии фаз на этапе ее производства.
Во второй главе выполнен анализ напряженно-деформированного состояния заготовки на каждой стадии вытяжки с последующей протяжкой.
Моделирование проводилось в программном комплексе PАМ-Stamp 2G с учетом
технологических особенностей производства корпусов банок под напитки. Так учитывалось, что на 2-ом и 3-ем переходе (протяжка) заготовка находится одновременно в 2-х
матрицах. Использовались специальные оболочечные конечные элементы, позволяющие
учитывать нормальные напряжения. Для описания поведения материала заготовки алюминиевого сплава 3104 - использовалась модель ортотропного упругопластического
материала: упрочнение в ходе пластической деформации подчинялось степенному закону. Результаты моделирования в виде распределения интенсивности напряжений и деформаций представлены на рисунке 1.
Графики распределения толщины по образующей банки по всем переходам вытяжки и протяжки, полученные как на основании результатов моделирования, так и измерением натурных образцов, приведены на рисунке 2.
Сравнение результатов моделирования и экспериментальных замеров толщины
стенки банки показало, что максимальная погрешность разработанной компьютерной
модели составляет 8,04%. Максимальная погрешность по высоте банки составляет
4,31%.
а
б
Рисунок 1 - Распределение интенсивности деформаций (а) и напряжений (б)
по переходам вытяжки банки
7
Длина образующей, мм
1 переход
Длина образующей, мм
2 переход
Длина образующей, мм
3 переход
Длина образующей, мм
4 переход
Длина образующей, мм
5 переход
Рисунок 2 - Распределение толщины по образующей банки на различных переходах
вытяжки и протяжки:
- моделирование,
- замеры
Установлено, что наиболее опасным с точки зрения разрушения алюминиевой
банки является 5-ый переход (протяжка) на котором, на расстоянии 120 мм от дна банки, наблюдается максимальная интенсивность напряжений с преобладанием растягивающих радиальных напряжений. Однако, разрушение стенки банки в этом сечении маловероятно, т.к. максимальная интенсивность напряжений  = 323 МПа меньше предела
прочности материала в = 373 МПа.
Т.к. использованная для оценки напряженно-деформированного состояния модель
учитывает только технологические параметры процесса и «макро» свойства заготовки,
но не ее реальную структуру, то необходимо дополнительно изучить влияние микроструктуры на процесс вытяжки с последующей протяжкой.
8
В третьей главе в программном комплексе MSC.Marc выполнено моделирование
напряженного состояния стенки банки в опасном сечении с учетом ее реальной микроструктуры.
Для построения конечно-элементной сетки растровое изображение микроструктуры анализируемого участка было импортировано в программу CorelDraw, где производилась прорисовка границ образца и контура интерметаллидных фаз. Полученное векторное изображение импортировалось в программу MSC.Marc.
Далее выполнялось построение сетки конечных элементов, рассматривалось два
варианта – с неупорядоченной и упорядоченной прямоугольной сеткой. При этом учитывалось, что распределение конечных элементов в интерметаллидных фазах и в объеме
основного материала должно быть равномерным. Т.к. на напряженное состояние рассматриваемых интерметаллидных фаз оказывают влияние соседние фазы, то дополнительно были построены модели с единственным включением, расположенным в центре
участка. Трехмерные модели строились путем выдавливания конечных элементов на величину равную толщине стенки банки в опасном сечении - 95 мкм (при этом по толщине
задавался один конечных элемент).
К граням построенной конечно-элементной модели были приложены нагрузки,
соответствующие напряжениям в радиальном (ρ = 211 МПа), тангенциальном
(θ = - 155 МПа) и нормальном ( = - 40 МПа) направлениях, которые были определены на первом этапе расчета в PАМ-Stamp 2G. Для описания свойств материала основы алюминиевого сплава 3104 H19 - использовалась упруго-пластическая модель, а для интерметаллидных фаз Al6(Fe, Mn) и Al12(Fe, Mn)3Si - упругая. Механические свойства основы определялись при испытании на растяжении образцов, вырезанных непосредственно из готовой банки.
Анализ напряженного состояния участка стенки банки показал, что максимальная
интенсивность напряжений наблюдается на границах интерметаллидных фаз, в то время
как в объеме основного материала интенсивность напряжений соответствует прикладываемой нагрузке. При этом расхождение результатов, полученных на неупорядоченной и
упорядоченной прямоугольной сетках, незначительное (рисунок 3).
При оценке влияния формы интерметаллидных фаз установлено, что в случае
крупных фаз уровень максимальных напряжений в округлой и вытянутой фазах практически одинаков и находится в интервале 450-454 МПа (рисунок 4, а, в), в случае же мелких фаз уровень напряжений в 1,2 раза ниже вокруг округлой фазы (рисунок 4, б, г).
Анализ влияния типа конечно-элементной сетки показал, что полученные на упорядоченной и неупорядоченной сетках максимальные интенсивности напряжений в
крупных фазах незначительно отличаются друг от друга и находятся в интервале 420454 МПа, в отличие от напряжений в мелких фазах, где максимальные интенсивности
напряжений находятся в интервале 419-540 МПа. Однако, в обоих случаях максимальные напряжения соответствуют фазам малых размеров и вытянутой формы (таблица 1).
Таким образом, фазы вытянутой формы и минимальных размеров приводят к появлению вокруг себя наибольших напряжений. Высокий уровень напряжений вокруг таких фаз может объясняться не только влиянием их формы и размеров, но и тем, что данные фазы обычно окружены соседними включениями.
Результаты расчетов напряженного состояния стенки банки с единственной фазой, расположенной в центре, подтвердили, что величина интенсивности напряжений
вокруг большой фазы вытянутой формы составляет 420 МПа, что значительно ниже,
чем в случае мелкой фазы, где максимальная интенсивность напряжений составляет
540 МПа.
9
а
б
Рисунок 3- Распределение интенсивности напряжений в стенке банки (МПа):
а - неупорядоченная сетка; б - упорядоченная прямоугольная сетка
а
б
в
г
Рисунок 4 - Распределение интенсивности напряжений (МПа) в зависимости от формы и
размеров фаз (неупорядоченная сетка, размеры фаз в мкм)
Таблица 1 - Зависимость напряженного состояния от размеров и формы интерметаллидных фаз и типа конечно-элементной сетки
Размер интерметаллидных
Интенсивность
Морфология фазы
фаз, мкм
напряжений, МПа
Размер
Форма
длина
ширина
минимум
максимум
Модель с неупорядоченной конечно-элементной сеткой
вытянутая
23,1
6,5
375
454
Большая
круглая
10,6
7,1
427
470
вытянутая
10,9
3,2
494
536
Малая
круглая
1,9
2,7
396
451
Модель с упорядоченной прямоугольной конечно-элементной сеткой
Большая
вытянутая
23,1
6,5
350
427
Малая
вытянутая
10,9
3,2
361
419
Модель с упорядоченной прямоугольной конечно-элементной сеткой
(единственная фаза в центре участка)
Большая
вытянутая
23,1
6,5
377
420
Малая
вытянутая
10,9
3,2
473
540
10
Анализ напряженного состояния участка стенки банки в опасном сечении с учетом реальной микроструктуры тонколистовых заготовок из сплава 3104 H19 показал,
что средние значения интенсивности напряжений на границах интерметаллидных фаз с
размерами более 20 мкм превышают предел прочности материала готовой банки на
10%, от 15 до 20 мкм - на 17%, от 10 до 15 мкм - на 28% и менее 10 мкм - на 12%. Однако, интенсивность напряжений быстро уменьшается при удалении от границы фазы и
достигает допустимых значений в основном материале. Очевидно, что такое нагружение
может приводить только к локальному разрушению материала вблизи фазы и ее последующему выкрашиванию.
В четвертой главе установлен критический размер фаз, выкрашивание которых
приводит к возникновению П-образных разрывов при вытяжке с последующей протяжкой алюминиевых банок.
В программном комплексе DEFORM 2D были построены модели 5-го перехода
(протяжка) с имитацией выкрашивания интерметаллидных фаз размером 5, 10, 15, 20
мкм, а также без выкрашивания (рисунок 5). Для описания поведения материала заготовки использовалась упругопластическая модель материала. Т.к. напряжения в тангенциальном направлении гораздо меньше радиальных и нормальных, задача решалась как
плоская.
А
а
б
Рисунок 5 - Геометрическая модель 5-го перехода (протяжка) с имитацией
выкрашивания интерметаллидной фазы (а), вид выкрашивания (б)
Результаты, полученные при компьютерном моделировании, использовались для
оценки вероятности разрушения на основании критерия В.Л. Колмогорова:
пр
 = �
0

<1,
Λпр
где  – степень использования запаса пластичности к моменту времени пр ;  – интенсивность скорости деформации сдвига; Λпр =  ( ) − предельная степень деформации;
 – приращение степени деформации сдвига за промежуток времени .
Показатель напряженного состояния  определяли, как отношение среднего (гидростатического) давления к интенсивности касательных напряжений. Зависимость
Λпр = ( ) была взята из литературных данных с учетом поправки на механические
свойства рассматриваемого материала на 5-ом переходе вытяжки. Значения  и  определяли из данных, полученных при моделировании в DEFORM 2D.
Размер выкрашивания заметно влияет на напряженное состояние на 5-ом переходе (рисунок 6). С увеличением размера выкрашивания схема напряженного состояния
становится более «жесткой», что снижает пластичность материала.
11
Рисунок 6 - Изменение показателя напряженного состояния вблизи выкрашивания при
его перемещении по очагу деформации при протяжке на 5-ом переходе
Используя критерий В.Л. Колмогорова, рассчитан запас использования ресурса
пластичности  , и для рассматриваемых случае установлено, что выкрашивание интерметаллидных фаз размером 20 мкм и более приводит к разрушению (рисунок 7). Критическими, с учетом 5% запаса прочности, являются интерметаллидные фазы размером 17
мкм и более.
Рисунок 7 - Влияние размера выкрашенной фазы на вероятность разрушения
В пятой главе с целью установления источника образования крупных интерметаллидных фаз размером более 20 мкм исследована структура слитков и ее эволюция
при последующей горячей и холодной прокатке.
Исследовалась микроструктура слитков из сплава 3104 размерами 600×1800×5700
мм и 500×1800×5700 мм, отлитых на АО «Арконик СМЗ» в кристаллизатор скольжения.
Размер интерметаллидных фаз зависит от местоположения по длине слитка. Так
наиболее крупные блочные фазы располагаются в донной части, уменьшение размеров
наблюдается только на расстоянии 300-400 мм от «донника», т.е. в зоне выхода параметров литья слитков на технологический режим (рисунок 8). Толщина исходного слитка слабо влияет на распределение крупных интерметаллидных фаз.
12
а
б
Рисунок 8 - Размер (а) и глубина залегания (б) блочных интерметаллидных фаз по
длине слитка:
- слитки толщиной 600 мм,
- слитки толщиной 500 мм
На 1/4 толщины слитка наблюдается более мелкая структура, чем в середине толщины, при этом в обоих случаях преобладают интерметаллидные фазы благоприятной
скелетной формы. Грубые блочные интерметаллидные фазы (размером до 231 мкм) пластинчато-игольчатой формы распространяются на глубину до 10 мм, а местами до 20 мм
от поверхности нефрезерованного слитка. Таким образом, крупные интерметаллидные
фазы размером более 20 мкм располагаются вблизи поверхности слитка.
Для исследования эволюции размеров интерметаллидных фаз при последующей
горячей и холодной прокатке, а также установления влияния величины фрезерования
«больших» граней слитка на размеры интерметаллидных фаз проведена прокатка специально подготовленных слитков с разновысотной фрезеровкой. Изменение микроструктуры в процессе горячей и холодной прокатки представлено на рисунке 9.
Основное дробление фаз с уменьшением их размеров в 5 и более раз происходит в
реверсивной клети стана горячей прокатки 2800 (рисунок 10). При этом, в отличие от
слитка, фрезерованного на 20 мм, крупные интерметаллидные фазы, не удаленные при
фрезеровке слитка на глубину 7 мм, сохраняются после горячей и холодной прокатки на
поверхности готовой ленты толщиной 0,25 мм.
Таким образом, микроструктура ленты, протканной из слитка с фрезеровкой на
глубину 7 мм, является неприемлемой, т.к. содержит интерметаллидные фазы размером
более 20 мкм, которые при вытяжке выкрашиваются и приводят к последующему разрушению изделия. Фрезерование слитка на 20 мм позволяет удалить слой крупных интерметаллидов, как следствие микроструктура ленты получается благоприятной, т.к. фазы размером 20 мкм и более отсутствуют (рисунок 11).
Для практического подтверждения проведенных исследований были прокатаны
два рулона из слитков с глубиной фрезеровки 7 мм и 20 мм, из которых в промышленных условиях были изготовлены опытные партии алюминиевых банок. Грубые интерметаллидные фазы присутствовали на поверхности стенки банок, изготовленных из ленты с глубиной фрезеровки слитка 7 мм (рисунок 12, а).
Данные фазы активно выкрашивались при вытяжке, что приводило к появлению
концентраторов напряжений и разрушению банок в виде П-образных разрывов. Уровень
разрывов составил более 27 на 100 тыс. изготовленных банок. Образцы алюминиевых
банок, изготовленные из ленты с глубиной фрезеровки слитка 20 мм, не имели грубых
интерметаллидных фаз (рисунок 12, б), что позволило полностью устранить разрывы
банок. Уровень разрывов составил менее одного на 100 тыс. изготовленных банок.
13
Фрезеровка на глубину 7 мм
Фрезеровка на глубину 20 мм
200:1
200:1
а
200:1
200:1
б
200:1
200:1
в
200:1
200:1
г
Рисунок 9 - Микроструктура поверхности слитка после фрезеровки (а), после горячей
прокатки в реверсивной клети (б), после пятой клети стана горячей
прокатки (в) и после холодной прокатки (г)
Рисунок 10 - Изменение размера интерметаллидных фаз
на различных стадиях обработки
14
Рисунок 11 - Содержание интерметаллидных фаз различных размеров в готовой ленте,
прокатанной из слитков с фрезеровкой на глубину 7 и 20 мм
а
б
Рисунок 12 - Микроструктура поверхности стенки банок, изготовленных из ленты
с глубиной фрезеровки слитков 7 мм (а) и 20 мм (б)
Таким образом, технология производства тонких лент из сплава 3104 для банок
должна включать фрезеровку больших граней слитка на глубину 15-20 мм.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. На основании разработанной компьютерной модели, учитывающей особенности процесса вытяжки с последующей протяжкой алюминиевых банок, проведен анализ
напряженно-деформированного состояния по переходам, оценена вероятность разрушения, установлено опасное сечение, в котором действуют максимальные напряжения с
преобладанием растягивающих. Данное сечение соответствует 5-му переходу (протяжка) и располагается на расстоянии 120 мм от дна банки.
2. Разработана методика расчета напряженного состояния стенки банки в процессе вытяжки с последующей протяжкой с учётом реальной структуры заготовки, которая позволила выявить закономерности влияния размеров, формы и распределения
интерметаллидных фаз на напряженное состояние при протяжке и установить механизм
возникновения П-образных разрывов.
3. При анализе напряженного состояния стенки банки с учетом реальной микроструктуры установлено, что интенсивность напряжений быстро уменьшается при удалении от границы фазы и достигает допустимых значений в основном материале. Очевидно, что такое нагружение может приводить только к локальному разрушению материала
вблизи фазы и ее последующему выкрашиванию.
15
4. Расчет запаса использования ресурса пластичности по В.Л. Колмогорову позволил установить, что выкрашивание интерметаллидных фаз размером 20 мкм и более
приводит к разрушению.
5. Размеры интерметаллидных фаз зависят от расположения по длине и толщине
слитка: блочные фазы располагаются на расстоянии 30-400 мм от донной части, а также
залегают вблизи поверхности слитка на глубине до 20 мм.
6. Исследование эволюции размеров интерметаллидных фаз показало, что основное дробление фаз с уменьшением размеров в 5 и более раз наблюдается в реверсивной клети стана горячей прокатки «2800», при дальнейших операциях горячей и холодной прокатки дробление фаз происходит незначительно.
7. Для устранения возникновения П-образных разрывов при вытяжке с последующей протяжкой прокатку тонких лент из сплавов 3104 необходимо проводить из слитков
с величиной фрезеровки 20 мм по большим граням, т.к. это позволит удалить слой крупных интерметаллидных фаз, располагающихся в основном на поверхности слитка.
8. Внедрение на АО «Арконик СМЗ» усовершенствованной технологии производства тонколистовых заготовок, включая фрезеровку больших граней на глубину 20
мм, позволило сократить уровень разрывов до менее чем одного на 100 тыс. изготовленных банок у заказчика. Экономический эффект составил 11 млн. рублей.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Андрианов, А.В. Исследование формирования интерметаллидных фаз в процессе горячей и холодной прокатки алюминиевого сплава 3104 / А.В. Андрианов, //
Производство проката. 2018. №8. С. 32-38.
2. Андрианов, А.В. Влияние морфологии интерметаллидных фаз на разрушение
заготовки при глубокой вытяжке с принудительным утонением / А.В. Андрианов, С.В.
Воронин, В.Ю. Арышенский, Я.А. Ерисов / Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. №1(3). С. 574-580
3. Андрианов, А.В. Повышение эффективности самоочистки инструмента в процессе вытяжки банок из сплава 3104 / А.В. Андрианов, Е.Г. Кандалова, Е.В. Арышенский // Технология легких сплавов. 2013. №3. С.108-112.
В изданиях, индексируемых Scopus/Web of Science:
4. Andrianov, A.V. Application of shell elements in simulation of cans ironing / A.V.
Andrianov, Y.А. Erisov, Е.V. Aryshensky, V.Y. Aryshensky / IOP Conf. Series: Journal of
Physics: Conf. Series. 2017. Vol. 803. Art. №012004
5. Andrianov, A.V. Influence of 3104 alloy microstructure of sheet performance in
ironing aluminum beverage cans / A.V. Andrianov, E.G. Kandalova, A.F. Grechnikova., E.V.
Aryshensky / Key Engineering Materials. 2016. Vol. 684. P. 398-405
В прочих изданиях:
6. Andrianov, A.V. Influence of Fe content on tool galling in ironing aluminum beverage cans / A.V. Andrianov, E.V. Aryshensky, E.G. Kandalova, / Materials Sciences and Applications. 2014. Vol. 5. Р.719-723.
16
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа