CC BY
98
УДК 534.8:535.5
В. С. Савенко, С. Д. Шаврей, М. Б. Соловьев, А. Л. Марцевич ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ДЕФОРМАЦИОННОМ АЛЮМИНИИ
В статье представлены результаты явления электропластичности деформационного алюминия. Показано изменение механических характеристик: временного сопротивления G; относительного удлинения А1; удельного сопротивления р от истинного сужения Li, а также параметры кристаллической решетки, размеры блоков и микроискажения пяти образцов алюминия, деформированного при различных значениях плотности и полярности действия тока. Показано, что наложение импульсного тока на зону деформации во время электропластического волочения приводит к изменению деформационных процессов и, как следствие, влияет на механические характеристики алюминиевой проволоки после деформации, что приводит к улучшению служебных характеристик изделия, сокращению энергетических затрат в технологическом процессе.
Введение
Для интенсификации технологических процессов и устранения неоднородности пластической деформации при обработке металлов давлением используют явление электропластичности, которое возникает при наложении на зону деформации импульса тока большой плотности (~103 А/мм2) и малой продолжительности (~10-4 с). Действие тока в этом случае не вызывает существенного нагрева металла и поэтому принципиально отличается от джоулевого эффекта, лежащего в основе электроконтактного нагрева. Изменение пластических свойств металла в этом случае происходит без заметных изменений его прочности [1], [2]. Взаимодействие деформируемого металла с электрическим током большой плотности приводит к снижению сопротивления металла деформированию и меняет его служебные характеристики.
Достаточно широко изучены и внедрены процессы электропластической деформации при обработке металлов давлением для волочения медной и стальной проволоки [3], а также проволок из других технически важных металлов [4]. Исследование электропластической деформации на стандартном волочильном стане при многоходовом технологическом цикле, а также изучение электромеханических характеристик алюминиевой проволоки в условиях электропластического волочения еще не проводились.
Результаты исследования и их обсуждение
Алюминиевая катанка марки АКЛП-5 ПТ полутвердая с максимальным сечением 196 мм2 (ё = 14 мм) подвергалась электропластическому волочению на волочильном станке СМВ-1-9М4. В процессе волочения осуществлялся подвод импульсного тока к алюминиевой проволоке для каждой волоки, установленной на волочильном стане согласно технологического маршрута волочения (максимальное количество волок - 9). Импульсы тока подавались генератором мощностью 70 кВт. Электрическое сопротивление каждого контактного узла электропластического волочения при натянутой алюминиевой проволоке не превышало значения Я = 0,005 Ом.
Применялись следующие режимы волочения: обычное волочение без подвода тока; электропластическое волочение с импульсным током до 1000 А/мм2, пропускаемым через зону деформации, при полярности плюс источника тока до зоны деформации; тоже с полярностью минус источника тока до зоны деформации.
Электрическое сопротивление метровых образцов проволок измерялось по мостовой компенсационной схеме на УПИП-60 М (класс точности 0,1), а удельное электросопротивление рассчитывалось по усредненному диаметру проволоки, измеренному микрометром (с точностью до 1 мкм). Механические свойства - разрывное усилие и относительное удлинение - измерялись на разрывной машине РМУ - 0,05 с точностью 1% (относительное удлинение определялось на базе 200 мм). Рентгеноструктурные исследования проводились дифрактометром ДРОН-4 на медном излучении.
Изучение зависимости числа перегибов п от истинного сужения = dJdn, где ё0 -начальный диаметр проволоки, ёп - диаметр проволоки после п-перегиба (рисунок 1) показало, что наложение импульсного тока на зону деформации во время электропластического волочения
деформационного алюминия приводит к увеличению числа перегибов. С ростом глубины проработки током материала, т. е. с уменьшением диаметра проволоки, эффект возрастает и наиболее выражен при полярности плюс источника тока до зоны деформации.
Рисунок 1 - Зависимость числа перегибов (п) от истинного сужения (Ь),
Этот вывод подтверждает и зависимость временного сопротивления О от истинного сужения Ь, = йа1йп (рисунок 2). Как видно из анализа графиков при электропластической деформации на последнем этапе волочения Ь, более чем в 2 раза меньше, чем без тока.
1200 1000 800 о 600 400
200
1,85
—I—
1,9
1,95
2,05
—I—
2,1
2,15
2
Рисунок 2 - Зависимость временного сопротивления (О) от истинного сужения (Ь)
Электропластическое волочение приводит к увеличению относительного удлинения и уменьшению удельного сопротивления алюминиевой проволоки (рисунки 3-4), что является показателем улучшения служебных характеристик изделия.
11 ю ■
9 ■
7 -6 -
5
1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1 2.15
Рисунок 3 - Зависимость относительного удлинения (А1) от истинного сужения (Ь,)
О 0,0269 -£
0,0259
0,0279 -
1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1 2,15
Ц
Рисунок 4 - Зависимость удельного сопротивления (р) от истинного сужения (Ь)
Этот вывод подтверждает и зависимость временного сопротивления О от истинного сужения Ь, = dJdn (рисунок 2). Как видно из анализа графиков при электропластической деформации на последнем этапе волочения Ь, более чем в 2 раза меньше, чем без тока.
Таким образом, наложение импульсного тока на зону деформации во время электропластического волочения приводит к изменению деформационных процессов и, как следствие, влияет на физико-механические характеристики алюминиевой проволоки после деформации, что приводит к уменьшению металлоемкости изделия, сокращению энергетических затрат в технологическом процессе.
Электропластическая деформация изменяет внутреннюю структуру деформируемых материалов. В результате рентгеноструктурных исследований получено, что деформация в режиме электропластического волочения дает более равновесную структуру, чем обычное волочение. При деформации полярностью плюс источника тока до зоны деформации происходит более существенное измельчение структуры, и деформация осуществляется при больших микроискажениях.
На фотографиях приведены изображения продольных шлифов образцов, полученных после деформации без тока (рисунок 5) и с током полярностью плюс источника тока до зоны деформации (рисунок 6). Под влиянием тока большой плотности происходит измельчение микроструктуры шлифа. Размеры зерен алюминиевой проволоки, деформированной без тока, на много больше, чем с током, что свидетельствует о достаточно высоком уровне остаточных напряжений. Измельчения зерен тем выше, чем больше плотность тока. По мере нарастания деформации происходит дробление зерен с уменьшением фрагментации, также увеличивается разориентация зерен. Формируются размытые текстурные максимумы, характерные для мелких зерен и блоков. Импульс электрического тока, проходящий через деформационное поле проволоки во время волочения, приводит к повышению пластичности исследуемых образцов, зерна в большей степени деформируются и приобретают неравноосную форму. Деформированные зерна располагаются своим минимальным сечением параллельно плоскости шлифа. При этом растет степень совершенства аксиальной текстуры алюминиевой проволоки.
10
Рисунок 5 - Микроструктура деформированной волочением алюминиевой проволоки.
Без тока
Рисунок 6 - Микроструктура деформированной волочением алюминиевой проволоки. С импульсом тока 1000 А/мм2, длительностью 10-4 с
Микроискажения в поперечных шлифах проволок, протянутых при направлении тока от плюса к минусу, составляют 0,74*10-4, при направлении тока от минуса к плюсу 1,34*10-4, деформация проволок по режиму от плюса к минусу дает меньшее искажение в проволоке, чем при направлении тока от минуса к плюсу, что хорошо согласуется с теоретическими представлениями теории электропластичности (рисунок 7).
Рисунок 7 - Рефрактограмма для деформационного алюминия, деформированного током с параметрами перехода 2,64-2,48 мм при направлении тока
от плюса к минусу
Размеры областей когерентного рассеяния максимальны у образцов, деформированных при токе от минуса к плюсу, минимальны при деформации от плюса к минусу, при отсутствии тока имеют промежуточные значения (таблица). Таким образом, можно сделать вывод, что деформация по режиму от минуса к плюсу дает более равновесную структуру, чем деформация без тока, деформация по режиму от плюса к минусу - наиболее искаженную структуру. При деформации от плюса к минусу происходит более существенное измельчение структуры и деформация осуществляется при больших микроискажениях (таблица).
Таблица
№ образца Параметры перехода, мм Параметр кристаллической решетки (а), А Размер блоков (D), А Микроискажения (е ), а
16 + ^ - 2,64-2,48 4,0540 611,58 0
17 - ^ + 2,64-2,48 4,0535 627,58 1,20*10-4
18 (без тока) 2,64-2,48 4,0540 598,28 -
19 + ^ - 2,48-2,37 4,0543 423,97 0,74*10-4
20 - ^ + 2,48-2,37 4,0532 490,22 1,97*10-4
Выводы
Электропластическая деформация оказывает существенное влияние на физико -механические характеристики изделия. Увеличивается относительное удлинение, число перегибов, незначительно падает временное сопротивление. Электропластическое волочение приводит к уменьшению удельного сопротивления, что открывает определенные возможности в упрощении технологического процесса изготовления алюминиевой проволоки с улучшенными служебными характеристиками путем замены обычного волочения электропластическим с исключением из технологического цикла операций энергозатратного отжига. Кроме этого, предложенная технология волочения, по сравнению с обычной, снижает усилия деформации, что приводит не только к снижению энергетических затрат, но и повышает ресурс стана, в том числе износостойкость деформационных деталей волок.
Литература
1. Савенко, В. С. Механическое двойникование и электропластичность металлов в условиях внешних энергетических воздействий / В. С. Савенко. - Минск : БГУ, 2003. - 200 с.
2. Savenko, V. S. Influence of electroplastic deformation on physicomechanical characteristics of deformation aluminum / V. S. Savenko // First Russia-China Joint Symposium on the electroplasticity effect in metals Shenzhen, China, May 31 - June 4, 2007. - S. 218.
3. Савенко, В. С. Влияние электропластического волочения на физико-механические характеристики деформационного алюминия / В. С. Савенко, О. А. Троицкий // XVII Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 90-летию со дня рождения профессора А. Н. Орлова : тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - СПб. : ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, 2007. - С. 64.
4. Спицын, В. И. Электропластическая деформация металлов / В. И. Спицын, О. А. Троицкий. - М. : Наука, 1985. - 160 с.
5. Физические основы электроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы / Ю. В. Баранов [и др.]. - М. : МГИУ, 2001. - 844 с.
6. Преимущества электропластической прокатки (ЭПП) и электропластического волочения (ЭПВ) золота, серебра, меди и стали, а также вольфрама, молибдена и ниобия / В. С. Савенко [и др.] // Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - М. : ИМАШ РАН, 2006. - С. 19.
Summary
Processing of metals by pressure has wide application in the industry and is based on use characteristic for metals of property of plasticity. Plasticity of a material is one of the major characteristics at manufacturing wires from copper, aluminum, tungsten.
Поступила в редакцию 08.07.08.
