close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка процесса изготовления проволоки из низкоуглеродистой стали повышенной прочности и износостойкости совмещенным методом волочения со сдвигом

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
РААБ АРСЕНИЙ ГЕОРГИЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОВОЛОКИ
ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
СОВМЕЩЕННЫМ МЕТОДОМ ВОЛОЧЕНИЯ СО СДВИГОМ
Специальность 05.16.05 – Обработка металлов давлением
Автореферат на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Магнитогорск – 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении
высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.
Носова».
Научный руководитель -
кандидат технических наук, доцент Полякова Марина Андреевна
Официальные оппоненты:
Утяшев Фарид Зайнуллаевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник,
Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук, главный научный
сотрудник (г. Уфа);
Трофимов Виктор Николаевич, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Пермский
национальный исследовательский политехнический университет», кафедра динамики и прочности машин, профессор (г. Пермь).
Ведущая организация -
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Российской академии наук, г. Москва.
Защита состоится 19 июня 2018 г. в 15-00 ч. на заседании диссертационного совета
Д 212.111.01 на базе ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет
им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый
зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на сайте http://www.magtu.ru.
Автореферат разослан «
Ученый секретарь
диссертационного совета
»_______________2018 г.
Селиванов Валентин Николаевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Стальная катанка, проволока и изделия из неё (арматура, канаты, пружины, металлические сетки и т.п.) находят массовое применение и определяют эффективность работы многих
сложных машин и конструкций. В условиях рыночной экономики большое значение приобретает повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции, определяемой рациональным соотношением «цена-качество». В этой связи необходимо разрабатывать более эффективные пути повышения конструкционных и эксплуатационных свойств материала за счет совершенствования режимов деформации и создания новых способов обработки. Существующие
промышленные способы обработки металлов давлением (ОМД), а также процессы высокотемпературной обработки не позволяют активно влиять на уровень механических свойств традиционных конструкционных материалов. Процессы холодной обработки, применяемые для массового производства высокопрочной продукции, такие как прокатка и волочение, активно упрочняют металлические материалы, однако, имеют ряд ограничений, связанных с деформационной способностью материалов. Поэтому разработка новых процессов получения высокопрочных материалов является актуальной и перспективной для ускоренного развития производства. Особый интерес представляют процессы пластического структурообразования, позволяющие формировать в конструкционных материалах мелкодисперсную структуру, приводящую к заметному повышению их прочности, износостойкости, сопротивлению усталости и т.д.
В этой связи активно развивается научное направление по созданию в сталях ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с размером зерен менее одного микрона. Причем, наиболее эффективно измельчают структуру до УМЗ и даже наноструктурного состояний методы интенсивной
пластической деформации (ИПД), преимущественно реализующие схему простого сдвига в условиях многоцикловой обработки с суммарной степенью накопленной деформации более 3.
Получение такого типа структуры позволяет в разы повышать прочностные характеристики
металлических материалов, однако, несмотря на многочисленные разработки, современные
способы ИПД обладают рядом существенных ограничений, прежде всего в аспекте непрерывности и производительности технологических схем. Поэтому поиск высокопроизводительных
схем формирования УМЗ структуры в металлах на базе традиционных процессов ОМД является важным этапом дальнейшего развития процессов ИПД. Например, метод волочения в силу
квазимонотонного характера течения материала не обеспечивает эффективного формирования
УМЗ структуры материалов, однако обладает высокой производительностью. Поэтому остается
важной задачей совершенствования схем волочения для получения новых металлических материалов и новых видов продукции, в частности, высокопрочной низкоуглеродистой проволоки с
УМЗ структурой для широкого применения. Использование дешевых низкоуглеродистых сталей для получения высокопрочных полуфабрикатов и изделий с характеристиками, максимально близкими к высокоуглеродистым или низколегированным сталям, позволит обеспечить конкурентоспособность и экономическую эффективность таких технологий. Таким образом, разработка научно-обоснованных технологических и технических решений в области производства длинномерных изделий из традиционных конструкционных материалов с улучшенными
свойствами методами ИПД и их внедрение в производство являются важной и актуальной задачей для металлургической и других отраслей промышленности РФ.
Работа частично выполнена в рамках госзадания Министерства образования и науки
Российской Федерации № 11.12.35.2017/ПЧ и гранта РФФИ № 17-08-00720/18.
Степень разработанности
Диссертация является законченным научным трудом, в котором решена актуальная задача повышения механических и эксплуатационных свойств низкоуглеродистой проволоки, на
4
примере стали марки 10, за счет создания новой совмещенной схемы напряженнодеформированного состояния и разработки научно-обоснованных технических решений.
Теория и практике схем волочения наиболее подробно рассмотрена в работах Г.Л. Колмогорова, И.Л. Перлина, М.З. Ерманка и др. Теоретические основы эффективности процессов с
использованием сдвиговых схем обработки и конечно-элементное исследование методов ИПД
проведено в работах В.М. Сегала, А.И. Рудского, В.С. Юсупова, Е.Н. Сосенушкина, Ф.З. Утяшева, А.В. Боткина и др. Теоретические аспекты особенностей формирования УМЗ структур в
металлических материалах в условиях ИПД разработаны и рассмотрены в работах Р.З. Валиева,
С.В. Добаткина, Г.А. Салищева, В.Н. Чувильдеева и др., ряда зарубежных ученых Г. Гляйтера,
Т.Г. Ленгдона, Ю. Жу и др.
Цель работы: разработка нового непрерывного метода деформирования с использованием принципов интенсивной пластической деформации на основе совмещения в очаге деформации технологических схем волочения и кручения (поперечного сдвига) для повышения механических и эксплуатационных свойств проволоки из низкоуглеродистой стали.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Анализ особенностей технологических схем пластической обработки, включая методы интенсивной пластической деформации, обеспечивающих повышение прочностных свойств
конструкционных металлов и сплавов.
2. Разработка непрерывного метода на основе совмещения волочения со сдвигом, исследование напряженно-деформированного состояния проволоки из низкоуглеродистой стали для
рационализации режимов обработки и установления взаимосвязи варьируемых и зависимых
параметров процесса.
3. Конструирование устройства и формообразующего инструмента для реализации совмещения волочения со сдвигом, проведение экспериментальных исследований особенностей
формируемой структуры, механических и эксплуатационных свойств проволоки из низкоуглеродистой стали.
4. Оценка инновационной перспективы использования совмещенной схемы обработки
волочением со сдвигом для получения промышленной продукции в виде проволоки из низкоуглеродистой стали с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами.
Научная новизна:
1. Впервые получены аналитические зависимости, определяющие условия сдвиговой
деформации при совмещении обработки волочением со сдвигом и выведена формула, позволяющая рассчитать крутящий момент сдвига с учетом вклада упругой и пластической составляющих деформации.
2. Научно обоснован новый непрерывный метод «Волочение со сдвигом», отличающийся совмещением в одной операции схем растяжения и сдвига и приводящий к более интенсивному по сравнению с традиционным волочением повышению до 10% прочности проволоки из
низкоуглеродистой стали 10 за счет интенсификации измельчения исходной структуры.
3. Установлена существенная неоднородность накопления деформации в сечении круглой заготовки (проволоки) после одного прохода обработки методом «Волочение со сдвигом»,
причем периферийные области накапливают деформацию в 2,5-3 раза интенсивней, что является причиной формирования структуры градиентного типа.
4. Установлено, что на поверхности проволоки из низкоуглеродистой стали 10 после волочения со сдвигом формируется сверхтвердый слой толщиной до 140 мкм с прочностью до 7
ГПа.
5. Установлено, что формирование градиентной структуры в низкоуглеродистой проволоке из стали 10 полученной с использованием метода «Волочение со сдвигом» приводит к повышению на 15-25% сопротивления износу в условиях взаимного контактного сухого трения
5
по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте вытяжки и других
условий эксперимента.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Разработана методика теоретического расчета рабочего момента, обеспечивающего
кручение заготовки в несимметричной конусной волоке учитывающая упругую и пластическую составляющие в суммарной деформации скручиваемого стержня.
2. Разработан новый метод «Волочение со сдвигом» и устройство для получения длинномерных полуфабрикатов (прутков, проволоки) из низкоуглеродистой стали (патенты РФ №
2347632 и №2347633) с повышенной прочностью за счет интенсификации накопления деформации за один проход и измельчения исходной структуры.
3. Разработаны и практически опробованы конструкция устройства и формообразующий
инструмент для реализации метода «Волочение со сдвигом», обеспечивающие повышение механических свойств по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте
вытяжки.
4. Разработаны режимы получения проволоки из низкоуглеродистой стали 10 после обработки волочением со сдвигом с более высокими на 10-12 % пределом прочности на растяжение и на 25% сопротивлением поверхностному износу по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте вытяжки.
5. Определено влияние технологических параметров метода «Волочения со сдвигом» на
величину накапливаемой интенсивности деформации. Установлено, что при волочении со
сдвигом силы, действующие на инструмент, снижаются до 2 раз по сравнению с традиционным
волочением.
Методология и методы исследований
Исследование напряженно-деформированного состояния металла исследуемого метода
«Волочение со сдвигом» осуществлялось с применением современного метода конечных элементов в программном комплексе DEFORM-3D. Исследование параметров структуры проводили с использованием передовых методик просвечивающей микроскопии. Исследование механических свойств проводили в соответствии со стандартами на методы испытаний и с использованием сертифицированного оборудования
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Аналитическая зависимость для численного определения момента, обеспечивающего
деформацию поперечным сдвигом с учетом упругих и пластических деформаций.
2. Непрерывный метод «Волочение со сдвигом», конструкция устройства и формообразующего инструмента для его осуществления, позволяющие получать проволоку из низкоуглеродистой стали с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами.
3. Взаимосвязь между формированием в проволоке, полученной методом «Волочение со
сдвигом» и последующей пластической обработкой, прочностных и износостойких свойств,
интенсивностью распределения накопленной деформации и особенностями структурного состояния.
Степень достоверности
Обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций и результатов исследования подтверждена анализом современных тенденций развития методов интенсивной пластической деформации, использованием основных закономерностей структурообразования и формирования механических свойств низкоуглеродистой стали при совмещении методов обработки
металлов давлением.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и результатов исследования
подтверждена использованием современного оборудования, методов исследований и обработки
результатов экспериментов, расчетов, которые хорошо согласуются с известными работами по
тематике рассматриваемого исследования.
6
Апробация результатов диссертационного исследования
Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах: Международный симпозиум «Bulk nanostructured materials: from
fundamental to innovations» (г. Уфа, 2009 г.); Третья Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО - 2009 (г. Екатеринбург, 2009 г.); 68 Межрегиональная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2010 г.), Международная научно-техническая конференция «Современные достижения в
теории и технологии обработки металлов» ( г. Санкт-Петербург, 2011 г.); IV Всероссийская
конференция по наноматериалам (г. Москва, 2011 г.); Школа – конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (г. Уфа, 2012 г.); Международная конференция «The 141-st TMS Annual Meeting&Exhibition» (США, 2012 г.); V Всероссийская конференция по наноматериалам (г. Звенигород, 2013 г.); VI Международная конференция по наноматериалам «NanoSPD6» (г. Метц, Франция, 2014 г.); 5-й Международный симпозиум «Bulk
nanostructured materials: from fundamental to innovations» (г. Уфа, 2015 г.); X Российская научнотехническая конференция «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2016 г.); Международная конференция «Magnitogorsk rolling practice» (г. Магнитогорск, 2016 г.); III International scientific conference «Material science» (г. Варна, Болгария, 2017г.); XV International scientific conference «Machines, Technologies, Materials» (Болгария, г. Боровец, 2018 г.); The 147-st TMS Annual Meeting&Exhibition» (США, 2018 г.).
Внедрение результатов диссертационных исследований
Результаты диссертации отражены в 27 публикациях, из них 3 научные статьи опубликованы в рецензируемых научных изданиях ВАК РФ, 4 статьи проиндексированы в наукометрических базах данных Web of Science и Scopus, 3 патента Российской Федерации на изобретения.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и 4 приложений, содержит 54 рисунка, 11 таблиц; изложена на 121 страницах машинописного текста.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена актуальность темы диссертации. Показана степень разработанности работы. Определены и сформулированы цель и задачи исследований; изложены научная
новизна, теоретическая и практическая значимость работы. Описаны методики и методы исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту; показана степень
достоверности работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях, структуре и
объему диссертации.
В первой главе приведен обзор и анализ известных технологических схем и методов
производства прутков и проволоки с оценкой их технологических и технической преимуществ
и имеющихся недостатков. Показано, что особый интерес для эффективного повышения прочностных свойств в образцах, полуфабрикатах и изделиях представляют методы ИПД. Проведен
анализ непрерывных методов ИПД для получения длинномерных изделий повышенной прочности, выявлены их ограничения и особенности применительно к формированию прочностных
свойств материалов. Показано, что интенсивный прирост прочностных свойств осуществляется
за счет формирования в пластически деформируемых материалах ультрамелкозернистой структуры. Проведен анализ факторов, определяющих структурообразование, показаны характерные
особенности схемы простого сдвига, используемой в процессах ИПД. Проведено аналитическое обоснование необходимости использования немонотонного характера деформации с целью получения УМЗ материалов с повышенной прочностью. Причем внесенная немонотон-
7
ность деформации (намеренное изменение направления вектора деформации) в методах пластического структурообразования является более значимым фактором для формирования
структуры зеренного типа и, соответственно, повышенной изотропности механических
свойств. Выявлен ряд проблем получения длинномерных образцов и полуфабрикатов повышенной прочности с использованием традиционных схем и перспективных методов ИПД,
сдерживающих активное внедрение методов ИПД в практику.
Проведен анализ факторов обеспечивающих повышенную износостойкость металлов, из
которого следует, что увеличению износостойкости способствует повышение твердости и пластичности для высокопрочных состояний сталей. Определены цель и задачи диссертационной
работы.
Во второй главе предложен комплексный подход для решения поставленной задачи
аналитическим исследованием и методом математического моделирования, выбран материал
исследования в виде калиброванных длинномерных прутков диаметром 10 мм из низкоуглеродистой стали марки 10 (≈ 0,12% С), являющийся одним из распространенных представителей
этого класса.
В итоге на основе комплексного аналитического обзора литературных и патентных источников предложен новый метод непрерывного деформирования с использованием принципов
интенсивной пластической деформации. Представлен новый метод «Волочение со сдвигом»
(патент № 2347633), заключающийся в совмещения в очаге деформации технологических схем
волочения (растяжение) и кручения (сдвиг).
Реализация метода осуществляется по схеме волочения длинномерной заготовки в волоке
с несимметричным каналом в виде усеченного косого конуса состоящей из двух частей с одновременным вращением одной из них (рис. 1). Деформация сдвигом обеспечивается за счет сил
приложенного момента к подвижной части волоки поперечно продольной оси заготовки.
а
б
Рисунок 1 - Схема «Волочение со сдвигом» (а). Разрезная волока (б):
1- неподвижная часть волоки; 2 – подвижная часть волоки; P – сила волочения;
е – эксцентриситет; стрелками обозначено направление вращения подвижной части волоки
Представлен расчет и анализ рабочего момента при реализации метода «Волочение со
сдвигом», обеспечивающих силовые условия передачи крутящего момента для деформации заготовки сдвигом (кручением) без проскальзывания (рис. 2).
Рисунок 2 – Геометрическая схема очага деформации
8
Расчет крутящего момента для осуществления пластического кручения заготовки выполнен с учетом упругого и пластического вкладов. Получена формула определения рабочего
крутящего момента с учетом упругой и пластической составляющих в зависимости от касательного напряжения и угловой деформации
M M
p
M
y
 d 03 

  3 d a3 
3
3
3
3

D  d a   16  48 4 D  d a   12  D  4 .
12


(1)
где, Мр – момент от пластической составляющей, Му – момент от упругой составляющей, к –
напряжение кручения (
) для области, находящейся в пластическом состоянии, D - диаметр на входе заготовки, d – диаметр на выходе заготовки.
Полученная зависимость была использована для разработки узла деформирования кручением и реализации физического эксперимента методом «Волочение со сдвигом».
Определены ограничения геометрических параметров волоки для обеспечения передачи
необходимого для кручения заготовки поперечного сдвигового момента. Рассчитано, что ширина конусного канала каждой из частей разрезной волоки должна отвечать следующему условию
(2)
где В – ширина контакта заготовки с волокой, D2 – диаметр заготовки на входе в волоку, D3 –
диаметр заготовки на выходе из волоки.
Выполнение данного условия (критерия) является обязательным при проектировании
волок для реализации метода «Волочение со сдвигом».
Математическое моделирование метода «Волочение со сдвигом». Для оценки напряженно-деформированного состояния предложенного метода «Волочение со сдвигом», выбора
оптимальной геометрии волок и технологических параметров обработки было использовано
математическое моделирование методом конечных элементов в программном комплексе
DEFORM-3D. Описаны граничные условия для проведения компьютерного моделирования и
созданы конечно-элементные модели узла деформирующего инструмента и заготовки. Основная задача математического моделирования заключалась в совершенствовании параметров
процесса, включающая выбор более рациональных конструкции инструмента, а также технологических, деформационных и силовых условий обработки.
В главе показано, что при исследовании использовали вариации геометрического исполнения деформирующего инструмента (табл. 1) и вариации технологических параметров обработки (скоростей волочения и вращения волоки) для выявления тенденций и закономерностей взаимного влияния геометрических параметров инструмента и скоростей обработки на
НДС, сил и моментов, тепловых условий. На первом этапе исследований были выбраны максимальные скорости обработки, которое обеспечивает оборудование (скорость волочение 3,6
метров в минуту, скорость вращения 500 об/мин-1).
Используя предварительные расчеты, были разработаны следующие варианты
исполнения геометрических размеров деформирующего инструмента (табл. 1).
По результатам проведенного моделирования были получены картины распределения
накопленной интенсивности деформации. На рис. 3 в качестве примера представлена картина
распределения накопленной интенсивности деформации в заготовке после одного прохода волочения со сдвигом для исполнения 2 (см. табл. 1). На рис. 4 представлены результаты исследования сил деформирования для трех исполнений геометрии и традиционного волочения. На
рис. 5 представлены результаты исследования крутящих моментов подвижной волоки для трех
исполнений.
9
Таблица 1 - Геометрические размеры инструмента для осуществления метода «Волоче-
Исполнение
ние со сдвигом», выбранные при математическом моделировании
1
2
3
Диаметр
входного
отверстия
волоки
инструмента D1, мм
10
10
10
Диаметр
сопряжения
волок D2, мм
Диаметр
калибрующего
пояска
на выходе D3, мм
Общая
длина
волок L,
мм
Угол
канала
волок α,
град
Эксцентриситет e, мм
9,25
9,25
9,25
8,5
8,5
8,5
6
10
15
13,5
8,5
5,5
0,7
0,7
0,7
а
б
Рисунок 3 – Картины деформированного состояния при использовании
инструмента в Исполнении 2:
а – поперечное сечение; б – общий вид в продольном направлении
Рисунок 4 - Диаграмма сил волочения для Рисунок 5 - Диаграмма крутящих моментов
трех исполнений инструмента метода «Воло- для трех исполнений инструмента метода
чение со сдвигом» и традиционного волоче- «Волочение со сдвигом»
ния
Исследования деформированного состояния показали, что длина волоки оказывает существенное влияние на величину и распределение интенсивности деформации в объеме заготовки.
1. При минимальной длине волоки равной 6 мм (Исполнение 1), значения интенсивности деформации достигают величин, превышающих 30. Причем деформация локализуется. Такие условия могут реализовываться в случае проскальзывание подвижной волоки относительно
материала заготовки и локализованного смятия поверхностных областей заготовки. В этой связи дальнейшие проведение исследования с геометрией инструмента по исполнению 1 нецелесообразно.
2. При длине волоки равной 10 мм (Исполнение 2) в заготовке наблюдается неравномерное распределение деформации с явно выраженной спиралевидностью её накопления. При
10
этом максимальные величины интенсивности деформации в периферийных областях заготовки
достигают значений равных 2,6. Очевидно, что выявленная спиралевидность накопления деформации связана с несогласованностью скоростей волочения и сдвига.
3. При длине волоки 15 мм (Исполнение 3) в заготовке наблюдается неравномерное распределение деформации, однако спиралевидность её накопления выражена не так явно, т.е. согласованность скоростей волочения и сдвига более корректная. При этом максимальные величины интенсивности деформации в периферийных областях заготовки достигают значений
равных 0,7.
4. Исследование сил волочения показывает, что при минимальной длине волоки равной
6 мм усилие волочения равна 23 кН и составляет 75% от уровня при традиционном волочении;
при длине 10 мм усилие волочения равна 16 кН, что почти в два раза ниже, чем при традиционном волочении; при длине 15 мм усилие волочения 2,4 раза меньше, чем при традиционном волочении.
5. Крутящий момент подвижной части волоки возрастает с увеличение длины волоки,
причем для Исполнения 3 он в 1,45 раза выше, чем для Исполнения 2.
Проведенные и представленные выше результаты исследования деформационных и технологических параметров обработки заготовок методом «Волочение со сдвигом» указывают,
что геометрия инструмента в Исполнении 2 обеспечивает наиболее рациональные параметры
обработки за исключением однородности распределения накопленной деформации, что связано
с несогласованностью скоростей волочения и вращения волоки. Согласованность скоростей
провели на основе анализа геометрических параметров неоднородности (рис. 3) деформированного состояния заготовки как в продольном, так и в поперечном направлениях за счет снижения скорости волочения до 2 метров в минуту при скорости вращения волоки 500об/мин-1.
Моделирование для рациональных условий обработки выявило градиентное накопление
интенсивности деформации в сечении заготовки (см. рис. 6, а, б), при этом центральные области при волочении со сдвигом накапливают деформацию близкую к еi~0,5, что соответствует
накопленной деформации по всему сечению при традиционном волочении (см. рис. 6, в). Интенсивность накопления деформации возрастает от центра к периферии заготовки и в поверхностных слоях составляет величину до еi мах~1,4.
а
б
в
Рисунок 6 - Распределение интенсивности деформации при волочении со сдвигом
и традиционном волочении: а – поперечное и б - продольное сечение заготовки еi мах~1,4;
в – традиционное волочение еi~0,5 (поперечное сечение заготовки)
Также проведено исследование эффекта деформационного разогрева, сил деформирования и сил, действующих на инструмент, в процессе волочения со сдвигом.
11
Третья глава посвящена практическим исследованиям метода «волочение со сдвигом».
Выполнена разработка конструкции экспериментального деформирующего электромеханического устройства, обеспечивающего кручение подвижной волоки. Показаны результаты экспериментальных работ и эффективности сдвиговой деформации методом «Волочение со сдвигом».
Разработанное устройство было смонтировано на цепном опытно-промышленном волочильном стане КВ – 048. Конструкция устройства защищена патентом РФ № 2347632. На рис. 7
представлены общий вид устройства и эскиз деформирующего узла.
а
б
Рисунок 7 - Общий вид устройства для экспериментального исследования методом
«Волочение со сдвигом» (а) и эскиз деформирующего узла устройства (б):
1 – направляющая втулка; 2 - корпус неподвижный; 3 – обойма; 4 – неподвижная часть волоки;
5 - вращающаяся часть волоки; 6- обойма вращающейся части волоки; 7 – проставка;
8 – корпус подвижный
Эксперименты проводили на технической базе Научно-исследовательского института
физики перспективных материалов ФГБОУ ВО «Уфимского государственного технического
авиационного университета». Размер исходных образцов из стали марки 10 был диаметром 10
мм и длиной 500 мм. Входной диаметр волоки составлял 10 мм, выходной – 8.5 мм. Устройство
работает следующим образом. Подготовленная заготовка с заостренным концом подается в деформирующий узел и захватывается подвижной кареткой цепного стана. После начала перемещения заготовки под действием тянущего усилия включается электромеханический привод
устройства, обеспечивающий вращательное движение волоки 5 (см. рис.7, б).
Полученные после одного прохода величины распределения микротвердости показывают о высокой эффективности метода «Волочение со сдвигом» (рис. 8). При этом полученные
сравнительные данные по интенсивности упрочнения показали, что они заметно выше, чем от
воздействия свободного кручения и традиционного волочения или их комбинации (рис. 8).
Рисунок 8 – Распределение микротвердости
в поперечном сечении образцов после различных видов обработки: 1 – исходное состояние; 2 – свободное кручение; 3 – традиционное волочение; 4 – свободное кручение с последующим волочением; 5 – волочение со сдвигом (степень редукционной
обработки для случаев 2, 4 и 5 была одинаковой и составляла е = 0.32)
12
Анализ полученных данных показывает, при волочении со сдвигом наблюдается градиент распределения твердости с возрастанием от центра к поверхности, но при этом основной
отличительной особенностью является как более высокий уровень упрочнения в объеме образца, так и формирование поверхностного слоя с аномально высокой микротвердостью величиной до 700 HV.
Исследование механических свойств образцов после различных видов деформации (рис.
9) с использованием традиционного волочения до конечного диаметра 8,5 мм и 3 мм и метода
«Волочение со сдвигом» и их комбинации показывает, что после волочения со сдвигом при
прочих равных условиях предел прочности проволоки может возрастать до ~864 МПа, что выше на 10 - 14% свойств, обеспечиваемых традиционным волочением.
Анализ представленных результатов исследований позволяет заключить, что при отдельном использовании метода волочения со сдвигом или с последующим традиционным волочением наблюдается заметный прирост прочности в образцах проволоки из стали 10 на 60 и
106 МПа, соответственно, по сравнению с традиционным волочением при
прочих равных условиях.
Для выявления особенностей
микроструктуры материала в исходном и деформированном состояниях
проводили металлографический анализ на световом микроскопе Olympus,
а также методом растровой (микроскоп JEOLJSM-6390) и просвечивающей (микроскоп JEM-2100) электронРисунок 9 - Механические свойства проволоки после ной микроскопии. При этом определяразличных видов деформационной обработки:
ли средний размер зёрен (фрагментов)
1 – исходное состояние; 2 – традиционное волочение
и изучали сплошность материала на
до диаметра 8,5 мм; 3 – волочение со сдвигом до диа- наличие микротрещин. Погрешность
метра 8,5 мм; 4 – традиционное волочение до диаметра измерений величины зерна не превы3 мм (е = 2,4); 5 – волочение со сдвигом до диаметра шала 12%.
8,5 мм + традиционное волочение до диаметра 3 мм
Исследования микроструктуры
(е = 2,4)
стали после деформационной обработки волочением со сдвигом выявили
явно неоднородное распределение и
морфологию зёрен феррита и частиц
Fe3C по объёму прутка (рис. 10). Аномально высокая величина микротвёрдости на поверхности прутков после волочения со сдвигом, очевидно, обусловлена
наличием высокой плотности дисперсных выделений цементита в зоне L1, высокой плотности границ зёрен, субзёрен,
дислокаций и других структурных деРисунок 10 - Градиентная микроструктура стали
фектов. Общая ширина наиболее упрочмарки 10 (поверхностная область образца после дененного участка составляет около
формации методом «Волочение со сдвигом»): L1 –
150мкм.
значительно деформированная приповерхностная
В целом полученные результаты
область шириной около 20 мкм; L2 – переходная
свидетельствуют об эффективности меобласть шириной около 30 мкм
тода «Волочение со сдвигом» для упроч-
13
нения образцов проволоки из низкоуглеродистой стали с формированием градиента механических свойств по объему заготовки.
В четвертой главе представлены сравнительные исследования сопротивления износу
проволоки из низкоуглеродистой стали марки 10, полученной тремя способами: традиционным
волочением, волочением со сдвигом (один проход) + традиционное волочение, методом РКУПКонформ + традиционное волочение. В результате была получена проволока диаметром 1,85
мм из исходного диаметра 10 мм с микротвердостью 291±10 HV, 291±7 в центре с постепенным
увеличением до 690 HV и 401±10 HV, соответственно. Оценку износостойкости проводили в
условиях взаимного сухого трения каждого вида проволок в течение 80 мин с использованием
методики и оборудования Хозрасчетного творческого центра Уфимского авиационного института (ХТЦ УАИ). Установили, что комплексная обработка волочением со сдвигом (один проход) + традиционное волочение обеспечивает повышение износостойкости до 25% по сравнению с проволокой, полученной традиционным волочением. Более высокое повышение износостойкости (до 30%) наблюдается в проволоке, полученной методом РКУП-Конформ + традиционное волочение.
Также рассмотрена возможность промышленного применения предлагаемого метода волочения со сдвигом. Определен целевой продукт в виде бердной проволоки, для которой возможно применение предлагаемого метода «Волочение со сдвигом». Описаны
эксплуатационные и технологические требования к бердной проволоке.
В главе представлены рекомендации по интеграции полученных в работе научноэкспериментальных материалов для создания новых эффективных технологий изготовления
длинномерных изделий повышенной прочности из низкоуглеродистых сталей с использованием нового разработанного метода ИПД на базе существующих станов для волочения. Предложено несколько вариантов встраивания метода волочения со сдвигом в линию волочения проволоки.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. На основе аналитического исследования существующих способов и методов для получения высокопрочных состояний в длинномерных полуфабрикатах и изделиях металлических материалов, в том числе низкоуглеродистой стали, выявлены тенденции, направленные на
активное использование для этих целей методов ИПД или их комбинации с традиционными
методами ОМД. Показано, что методы ИПД, использующие сдвиговые и немонотонные деформации, обеспечивают наибольшую эффективность при упрочнении материалов за счет
формирования ультрамелкозернистой структуры в металлах. Показана решающая роль показателя твердости для повышения износостойкости сталей.
2. Разработан новый метод «Волочение со сдвигом», отличительной особенностью которого является совмещение схемы растяжения и схемы сдвига в одном очаге деформации, посредством одновременного волочения и кручения (поперечного сдвига) заготовки. Проведен
теоретический расчет рабочего момента, обеспечивающего кручение заготовки в несимметричной конусной волоке учитывающий упругую и пластическую составляющие в суммарной деформации скручиваемого стержня. Получена аналитическая зависимость, позволяющая рассчитать крутящий момент, обеспечивающий сдвиговую деформацию заготовки круглого сечения
при волочении со сдвигом.
3.
Методом
математического
моделирования
исследованы
напряженнодеформированное состояние и технологические параметры метода «Волочение со сдвигом».
Определены и исследованы рациональные технологические параметры обработки и геометрические параметры деформирующего инструмента. Установлено, что интенсивность деформации при волочении со сдвигом накапливается нелинейно. Центральные области заготовки при
14
прочих равных условиях накапливают деформацию близкую к уровню деформации как при
традиционном волочении, а периферийные – до трех раз превышают эти значения. Показано,
что при волочении со сдвигом проволоки из низкоуглеродистой стали 10 происходит снижение
сил волочения и нормальных сил на инструмент в два раза по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте вытяжки.
4. Разработана конструкция деформирующего устройства для получения длинномерных
образцов изделий методом «Волочение со сдвигом». Разработаны чертежи, изготовлено устройство и деформирующий инструмент, состоящий из неподвижной и подвижной волок, проведено испытание экспериментального деформирующего устройства, получены образцы проволоки из стали 10 методом «Волочение со сдвигом» на модернизированном цепном волочильном стане.
5. Установлено, что микротвёрдость проволоки из низкоуглеродистой стали марки 10
после метода «Волочение со сдвигом» увеличивается в поверхностных слоях до значения 7 ГПа
за счет формирования градиентной структуры. Микроскопический анализ показал, что в низкоуглеродистой проволоке из стали марки 10 после волочения со сдвигом формируется высокопрочный поверхностный слой толщиной около 150 мкм, состоящий из УМЗ зерен. Причиной
этого является множество выпавших мелкодисперсных частиц Fe3C размерами в основном 0,1 0,4 мкм с крайне неоднородной плотностью их распределения. В направлении от приповерхностной области к центральной оси располагается переходная область с волокнистой структурой,
состоящей из сильно вытянутых искривлённых зёрен феррита, в которой частицы цементита
практически не наблюдаются.
6. Проведен сравнительный анализ механических свойств и износостойкости низкоуглеродистой заготовки проволоки после различных видов деформационного воздействия: традиционное волочение, свободное кручение и волочение со сдвигом. После волочения со сдвигом
наблюдается увеличение предела прочности низкоуглеродистой проволоки на 10% при сохранении пластичности по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте
вытяжки. Износостойкость низкоуглеродистой проволоки в условиях сухого контактного трения полученной волочением со сдвигом с последующим волочением увеличивается на 25% по
сравнению с проволокой после традиционного волочения при одинаковом коэффициенте вытяжки.
7. Рассмотрена возможность интеграции разработанного метода волочения со сдвигом в
технологические процессы производства низкоуглеродистой проволоки. Представлены варианты встраивания блока для реализации метода «Волочение со сдвигом» в линии волочильных
станов различных типов. Представлены практические рекомендации корректировки маршрутов
волочения при использования метода «Волочение со сдвигом» для производства низкоуглеродистой проволоки повышенной прочности и износостойкости.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
1. Рааб, Г. И. Разработка новых методов получения объемных наноструктурных металлических материалов интенсивной пластической деформацией / Г.И. Рааб, Р.З. Валиев, В.М. Капитонов, Н.Г. Баушев, Р.С. Каримов, А.Г. Рааб // Современные достижения в теории и технологии
пластической обработки металлов. Труды международной научно-технической конференции. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2007. - С.385-388.
2. Патент 2345861 Российская Федерация, МПК В21J5/06, B21J13/00. Устройство для непрерывного углового прессования / Г.И. Рааб, Р.З. Валиев, В.М. Капитонов, А.Г. Рааб; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический
университет». - № 2006145916/02; заявл. 22.12.2006; опубл. 27.06. 2008. - 3с.
3. Семенов, В. И. Исследование структуры и механических свойств длинномерных наноструктурных прутков из низкоуглеродистой стали / В.И. Семенов, А.Г. Рааб, М.И. Чукин, Г.И.
15
Рааб // Третья всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО -2009» : тезисы докладов. - Екатеринбург: Уральское изд- во, 2009. - С. 800-801.
4. Raab, A. G. Computer simulation of the ECAP-conform processing of low-carbon steel /
A.G. Raab, M.V. Chukin, D.G. Tyulenev, A.V. Botkin // International simposium «Bulk nanostructured materials: from fundamental to innovations» – BNM-2009. – Ufa: UGATU, 2009. – P. 64 – 67.
5. Semenov, V. I. Processing of long-length nanostructured rods out of steel with the carbon content of 0.1% by ECAP-Conform / V.I. Semenov, A.G. Raab, M.V. Chukin // International simposium
«Bulk nanostructured materials: from fundamental to innovations” – BNM-2009. – Ufa: UGATU,
2009. – P. 124-126.
6. Патент 2347632 РФ, МПК В 21 С 1/00. Способ получения ультрамелкозернистых полуфабрикатов волочением со сдвигом / Г.И. Рааб, А.Г. Рааб; заявитель и патентообладатель: ГОУ
ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». - №
2007141898/02; заявл. 6.02.2009; опубл. 27.02.2009.
7. Патент 2347633 Российская Федерация, МПК В 21 С 1/00. Устройство для получения
ультрамелкозернистых полуфабрикатов волочением со сдвигом / Г.И. Рааб, А.Г. Рааб; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический
университет». - № 2007141899/02; заявл. 6.02.2009; опубл. 27.02.2009.
8. Рааб, А. Г. Исследование метода интенсивной пластической деформации волочение со
сдвигом для получения проволоки повышенной прочности из низкоуглеродистой стали марки
10 / А.Г. Рааб, М.В. Чукин // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 68-й межрегиональной научно-технической конференции: в 2т. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2010. - Т. 1. - С. 183-185.
9. Рааб, А. Г. Разработка нового метода интенсивной пластической деформации для получения высокопрочных прутков и проволоки из низкоуглеродистых сталей / А.Г. Рааб, М.В. Чукин
// IV Всероссийская конференция по наноматериалам: сб. мат. – М.: ИМЕТ РАН, 2011. - C. 43.
10. Клевцов, Г. В. Прочность и механизмы ударного разрушения наноструктурированных
материалов / Г.В. Клевцов, Р.З. Валиев, Н.А. Клевцова, М.Р. Кашапов, М.В. Фесенюк, А.В. Ганеев, А.Г. Рааб // Фундаментальные исследования. – 2011. - №12. - C. 345-350 (Рецензируемое
издание из Перечня ВАК).
11. Рааб, Г. И. Способ получения ультрамелкозернистых полуфабрикатов волочением со
сдвигом / Г.И. Рааб, А.Г. Рааб // Изобретатели - машиностроению. - 2011. - N 3. - С. 4-5.
12. Рааб, А. Г. Разработка нового метода интенсивной пластической деформации – волочение со сдвигом / А.Г. Рааб, М.В. Чукин // Актуальные проблемы физического металловедения
сталей и сплавов: материалы ХХI Уральской школы металловедов-термистов. - Магнитогорск:
Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. - С.20 – 21.
13. Semenov, V. I. Computer simulation of drawing process with shear / V.I. Semenov, A.G. Raab
// International virtual journal «Machines. Technologies. Materials». - 2012. - Issue 11. - P.41.
14. Рааб, А. Г. Исследование процесса волочения со сдвигом с использованием математического моделирования и физического эксперимента / А.Г. Рааб, М.В. Чукин, В.И. Семенов, Г.Н.
Алешин // Тезисы докладов открытой школы- конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые
и наноструктурные мате риалы» УМЗНМ-2012. - Уфа, 2012. – С. 134.
15. Валиев, Р. З. Влияние режимов равноканального углового прессования и последующего
нагрева на прочность и механизм разрушения стали 10 / Р.З. Валиев, Г.В. Клевцов, Н.А. Клевцова, М.В. Фесенюк, М.Р. Кашапов, М.В. Караваева, А.Г. Рааб, А.В. Ганеев // Деформация и
разрушение материалов. - 2013. - № 1 - С. 21-25. (Рецензируемое издание из Перечня ВАК).
16. Рааб, А. Г. Влияние схем волочения и свободного кручения на неоднородность деформации и структурные изменения в заготовках из низкоуглеродистой стали / А.Г. Рааб, Г.И. Рааб, В.И. Семенов, Г.Н. Алешин, Ю.Н. Подрезов, Н.И. Даниленко // Кузнечно-штамповочное
16
производство. Обработка материалов давлением. - 2013. - №12. – С. 14-20. (Рецензируемое издание из Перечня ВАК).
17. Фирстов, С. А. Поверхностное упрочнение изделий сложной формы с использованием
комплексных схем деформирования / С.А. Фирстов, С.Е. Шейкин, Ю.Н. Подрезов, Н.И. Даниленко, В.И. Даниленко, Н.Д. Рудык, С.Ф. Студенец, Д.А. Сергач, А.Г. Рааб // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. - К.: ИПМ НАН Украины, 2013. - Вып. 19. С. 7-14.
18. Raab, A. G. Investigation of a new shear deformation method for the production of nanostructures in low-carbon steel / A.G. Raab, M.V. Chukin, G.N. Aleshin, G.I. Raab // 2014 IOP Conf. Ser.:
Mater. Sci. Eng. – 2014. – Vol. 63. – Р. 012008. (Web of science)
19. Рааб, А. Г. Влияние различных схем деформации на изменения структуры малоуглеродистой стали / А.Г. Рааб, Г.Н. Алёшин, В.И. Семёнов, Э.И. Гималтдинова // Нефтегазовые технологии и новые материалы. Проблемы и решения: сб. научн. трудов. – Уфа: ООО «Монография», 2013. - Вып. 2 (7). - С. 382-394.
20. Рааб, А. Г. Структурно-фазовые превращения при комбинированной интенсивной пластической деформации низкоуглеродистой стали / А.Г. Рааб, Г.Н. Алёшин, Г.И. Рааб, В.И. Семёнов, Ю.Н. Подрезов, Н.И. Даниленко // Нефтегазовые технологии и новые материалы. Проблемы и решения: сб. научн. трудов. – Уфа: ООО «Монография», 2014. - Вып. 3 (8). - С. 327338.
21. Рааб, А. Г. Влияние схем сложного нагружения на особенности формирования градиентной структуры в низкоуглеродистой стали / А.Г. Рааб, Г.Н. Алешин, Г.И. Рааб, Ю.Н. Подрезов, Н.И. Даниленко // Физика молекул и кристаллов: сб. статей. – Уфа, 2014. – С. 300-310.
22. Raab, G. I. Analysis of shear deformation scheme efficiency in plastic structure formation
processes / G.I. Raab , A.G. Raab, V.G. Shibakov // Metalurgija. – 2015. - Vol. 54 (2). - P. 423-425.
(Scopus)
23. Raab, G. I. Structural variations in low-carbon steel under severe plastic deformation by drawing, free torsion, and drawing with shear / G.I. Raab, D.V. Gunderov, L.N. Shafigullin1, Yu.M. Podrezov, M.I. Danylenko, N.K. Tsenev, R.N. Bakhtizin, G.N. Aleshin, A.G. Raab // Materials Physics
and Mechanics. – 2015. – Vol. 24. - P. 242-252. (Scopus)
24. Рааб, Г. И. Перспективные методы ИПД для получения наноструктурированных металлических материалов / Г.И. Рааб, В.Г. Шибаков, А.Г. Рааб // Современные металлические материалы и технологии (СММТ’2015): Сборник трудов международной научно – технической
конференции. - СПб.: Изд – во Политех. ун-та, 2015. - С. 325-334.
25. Рааб, Г. И. Перспективные методы ИПД для получения наноструктурированных металлических материалов / Г.И. Рааб, В.Г. Шибаков, А.Г. Рааб // Materials Physics and Mechanics. –
2016. – Vol. 25. – Р. 77-82. (Scopus)
26. Raab, G. I. Combined and consecutive SPD processing techniques / G.I. Raab, A.G. Raab,
R.N. Asfandiyarov, E.I. Fakhretdinova // Machines. Technologies. Materials. - 2017. Proceedings.
Volume III «MATERIALS». - 2017. - P. 187-188.
27. Semenov, V. I. Sheme of treatment and its effect on the strain heterogenety and structural
changes in billets of low-carbon steel / V.I. Semenov, G.A. Aleshin, A.G. Raab, N. Tontchev, V.
Kamburov, E. Yankov // Material Science «Nonequilibrium Phase Transformations». - 2017. - №1. P. 83-87.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа