CC BY
52
НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ
УДК 621.778.014-426:620.172.242
Г.С. Гун, М.В. Чукин, Д.Г. Емалеева, Н.В. Копцева, Ю.Ю. Ефимова, М.П. Барышников
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ
СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ *
Стальная проволока - один из важнейших видов метизов, повсеместно используемый как конструктивный элемент при производстве стальных канатов, металлокорда, биметаллической проволоки и неизолированных проводов и т. д. Необходимость повышения надежности и долговечности указанных металлоконструкций требует разрабог-ки новых технологий, позволяющих управлять их структурой и свойствами. Данным обстоятельст-вом объясняется развитие таких схем интенсивной пластической деформации (ИПД), как равноканальное угловое прессование (РКУП), кручение под высоким давлением [1], многократная всесторонняя ковка [2], пакетная прокатка [3] и т. д. Названные способы, основанные на диспергировании структурных элементов материала, уникальны и позволяют значительно повышать прочностные и пластические свойства металлов [4]. Однако дискретность процесса наноструктурирования и низкая технологичность существующих схем ИПД оставляли актуальной проблему создания альтернативного способа формирования ультрамелко-зернистой (УМЗ) структуры материала, позволяющего управлять свойствами металлов в условиях непрерывности технологического процесса.
Поэтому цель настоящего исследования - экспериментальное обоснование возможности приме-нения новой вы -
сокотехнологичнои схемы равноканальнои угловой свободной протяжки (РКУ-протяжки), позволяющей формировать субмикрокристаллическую структуру поверхности стальной низкоуглеродистой проволоки и повышать уровень её механиче-ских свойств.
Предлагаемый процесс РКУ-протяжки заключается в многократном протягивании проволоки через специально разработанный инструмент, имеющий в сечении 2 пересекающихся под углом канала. Принципиальная схема процесса представлена на рис.1.
Технологичность и непрерывность обработки реализуется за счет последовательной установки на волочильном стане необходимого количества инструмента. Высокая практическая ценность РКУ-протяжки заключается в возможности ее сочетания с традиционным способом волочения проволоки (рис. 2).
1. Исследование изменения прочностных
свойств стальной проволоки в процессе РКУ-протяжки
В ходе исследования стальная проволока из стали 08кп последовательно волочилась по маршруту 6,7^6,0^5,5^5,0^4,5^4,2 до получения образцов соответствующего маршруту диаметра. Полученные образцы подвергались РКУ-протяжке в несколько проходов. В результате эксперимента, проведенного по специально разработанной мето-дике, были определены поэтапные изменения прочностных свойств образцов, подвергшихся
Рис. 1. Принципиальная схема процесса РКУ-протяжки:
1 -обрабатываемая проволока;
2 - технологический инструмент
Рис. 2. Возможная схема поточной реализации РКУ-протяжки на шестикратном волочильном стане
Работа выполнена в рамках ЦПФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы».
ИПД, после N=0, 2, 4, 6 и 10 протяжек через инст-румент (рис. 3). На этом же рисунке сплошной линией без маркеров показана кривая упрочнения горячекатаной стали 08кп. Штриховая линия, имеющая аналогичный характер, отображает исходный уровень механических свойств образцов различного диаметра (при N=0 проходов) и под -тверждаег закономерность деформационного упрочнения заготовок при их волочении. Анализ полученных результатов свидетельствует, что у об -разцов с исходным диаметром 4,2; 4,5 и 5,5 мм отмечается заметное (до 14%) упрочнение металла при РКУ-протяжке относительно их исходного состояния, зависящее ог интенсивности обрабог-ки. Для образца с исходным диаметром Э = 5,0 мм в результате ИПД наблюдается некоторое (на 18%) разупрочнение металла относительно исход -ного состояния.
Следует отметить незначительное, но стабиль-ное уменьшение поперечного сечения проволоки при ИПД. Исключение составляет 10 протяжек для образца с Э=5,0 мм.
Выявленный характер изменения механических свойств низкоуглеродистой стали 08кп, под -вергнутой ИПД, вызвал необходимость проведе -ния детального металлографическою анализа.
2. Металлографические исследования изменения структуры и твердости проволоки, подвергнутой РКУ-протяжке
Оценка характера изменения структуры металла в ходе обработки производилась на микроскопе «ЭПИКВАНТ» с использованием системы компьютерного анализа изображений 81АМ8. Микроструктура исходного образца приведена на рис. 4, а после РКУ-протяжки - на рис. 5.
Проведенный анализ показал, что РКУ-про-тяжка привела к значительному изменению струк-туры всех исследуемых образцов. Уже после 2 проходов и вплоть до 10 проходов наблюдается
6, %
А Э=4,2 мм О Э=4,5 мм ^ Б=5,0 мм □ Э=5,5 мм
горячекатанаясталь 08кп [5]
■ ■ ■ ■ вохючение по маршруту 6,7> 5,5 > 5,0 > 4,5> 4,2
Рис. 3. Упрочнение образцов разного диаметра в исходном состоянии (после волочения) и в ходе их обработки РКУ-протяжкой после 2, 4, 6 и 10 проходов
интенсивное диспергирование структурных составляющих поверхностных слоев, в то время как структура центральной части остается неизменной (сравнить рис. 4 и 5, г). При этом процесс наност-руктурирования носит кумулятивный характер, т.е. толщина измельченного слоя и дисперсность структуры от прохода к проходу непрерывно возрастают . Так, например, для образца Э=5,5 мм после N проходов средняя толщина измельченного поверхностного слоя Нм составляет: Н2~118 мкм; Н 4-141 мкм; к6 «150 мкм; Ню «184 мкм.
В ходе исследования ориентировочно были выделены следующие стадии формирования ульт-рамелкозернистой структуры (УМЗ-струкгуры) в поверхностном слое:
- формирование равномерного У М3-слоя (с 1-го по 4-й проходы) (рис. 5, а);
- развитие УМЗ-слоя в глубину материала (с 4-го по 7-й проходы) (рис. 5, б);
- стадия накопления дефектов (с 7-го по 9-й проходы);
- частичное разрушение и отслоение поверхностного нанострукгурированного слоя (9-й и последующие проходы) (рис. 5, в).
Распределение микротверцости по сечению образцов оценивалось методом вдавливания алмазной пирамиды на твердомере ПМГ-3 в соог-ветствии с ГОСТ 9475-76. Замеры производились с шагом 0,1 мм от поверхности к центру заготовок. Анализ результатов исследования (рис. 6) показывают , что образованный при РКУ-протяжке нано -структурированный слой обеспечивает значитель-ное повышение значений микротверцости на по -верхности заготовок и, следовательно, общее улучшение прочностных свойств материала.
При этом наблюдается прямая зависимость между интенсивностью обработки проволоки (т.е. количеством протяжек образца через инструмент) и уровнем значений микротвердости ее поверхности. В то же время ни интенсивность деформации, ни геометрические показатели за-
Рис. 4. Микроструктура исходного образца, х200
Рис. 5. Микроструктура образца й=4,5 мм после N=2 прохода (а), N=6 проходов (б) и N=10 проходов (в, г)
на поверхности (а-г) и в центре (д); х200
готовок существенным образом не влияют на упрочнение их центральной части.
Выводы. Проведенные исследования под -тверждают возможность и высокую эффективность предлагаемого высокотехнологичного способа формирования ультрамелкозернистой структуры поверхностного слоя стальной проволоки. Внедре-ние результатов теоретических исследований на существующем производстве и позволит достигать высоких качественных показателей конечной про -дукции широкого спектра, использования.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 гг.» лот № 2007-3-1.3-00-04 (контракт № 02.513.11.3196).
Расстояние от поверхности образца, мм —♦—О = 4,5 мм ■ О = 5,5 мм
Рис. 6. Распределение микротвердости по сечению образцов разных исходных диаметров после 10 проходов РКУ-протяжки
Библиографический список
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.
2. Валитов В.А., Салищев Г.А., Мухтаров Ш .X. Сверхпластичность жаропрочного никелевого сплава с субмикрокристалли-ческой структурой // Металлы. 1994. № 3. С. 127.
3. Saito Y., Tsuji N., Sakai T. // Acta mater. 1999. V. 47. P. 579.
4. Процессы струкгурообразования при пластической деформации металлов / Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. и др. Минск: Наукаи техника, 1994. 221 с.
5. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: Справочник. М.: Машиностроение, 1980. 157 с.
