CC BY
45
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.771: 621.777
Загиров H.H., Сидельников С.Б., Иванов Е.В., Аникина В.И.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ СЫПУЧЕЙ СТРУЖКИ СПЛАВА СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЙ-КРЕМНИЙ
Как известно, общая доля стружки во всем вторичном алюминиевом сырье составляет по разным оценкам от 20 до 40%. Поэтому вопросам организации эффективной ее переработки на предприятиях, где она образуется в значительных объемах, уделяется большое внимание. В настоящее время основным методом утилизации металлической стружки является ее использование в виде россыпи или брикетов в плавильном или литейном производствах Доказано, однако, что применение в шихте алюминиевой стружки, не прошедшей предварительной обработки (сушка, брикетирование и т.д.), неизбежно снижает качество расплава. Обладая развитой удельной поверхностью, стружка будет интенсивно окисляться, наждясь на поверхности расплава. В научно-технической литературе [1] описаны способы плавки стружки и подготовки ее к плавке, увеличивающие металлургический выход. Однако, кроме несомненных достоинств, они имеют и некоторые недостатки: необждима установка дополнительного оборудования, не достигается требуемая чистота расплава, технология энергоемка и экологически вредна.
Поэтому актуальна задача разработки технологии и ее аппаратурного оформления, которые обеспечивают
I
Т---I МШ \
I
Рис. 1. Устройство и схема переработки стружки в полуфабрикаты и изделия по техническому решению [5]
максимальный выход годного металла стружки с незначительными затратами и минимально возможными вредными воздействиями на окружающую среду.
Наиболее рациональной технологией переработки стружки, на наш взгляд, является компакгирование ее в брикеты с последующей экструзией металла через отверстие матрицы заданной формы и размерами поперечного сечения. При использовании данной схемы стружку засыпают в контейнер, нагревают до температуры горячей обработки и брикетируют (подпрес-совывают) с использованием «глухой» матрицы в контейнере горизонтального или вертикального гидравлического пресса при заданном давлении. Далее брикеты извлекают из контейнера пресса и, если требуется, обтачивают с целью удаления поверхностного слоя. После чего прутки и профили требуемого сечения получают из брикетов аналогично традиционному прессованию литых заготовок.
Наряду с упомянутым процессом значительный интерес представляет получение полуфабрикатов из стружки в режиме полунепрерывного и непрерывного прессования [2-5].
В настоящее время разнообразие конструкций устройств и инструмента для непрерывного прессования, в частности алюминиевых сплавов, достаточно велико, и практически все из них могут быть использованы для получения изделий из стружки. Подробная классификация устройств для непрерывного прессования рассмотрена в монографии [3].
В работе решено было применить технологическую схему [4], основанную на использовании для получения промежуточной заготовки установки совмещенной прокатки-прессования (СПИ), с последующим ее волочением до проволоки заданного диаметра. Базовым техническим решением для получения пресс-изделия является устройство [5], приведенное на рис. 1. Для моделирования работы такого рода устройства основные операции (брикетирование, нагрев брикетов и совмещенная прокатка-прессование), выполняемые на установке в последовательном непрерывном режиме, были дискретизированны и реализованы в отдельности.
Естественно, данная технология предъявляет определенные требования к поступающей на переработку
стружке. Она должна быть строго определенного химического состава, содержать минимально возможное количество влаги и масла, а также других, так называемых, балластных примесей (от этих примесей стружку успешно очищают при относительно невысоких затратах). Кроме того, стружка по возможности должна быть сыпучей. Таким требованиям отвечает стружка из алюминиевых сплавов (АК12, АД31, АМгб и др.), образующаяся в результате резки пресс-изделий на дисковых пилах и обработки литых полуфабрикатов в условиях металлургических предприятий.
Реализацию новой технологии покажем на примере переработки стружки из алюминиевого сплава АД31 (рис. 2), содержание влаги и масла в которой не превышало 2%, а средняя микротвердость частиц стружки (рис. 2, а) по результатам нескольких измерений составила HV = 70-75 кгс/мм2.
На первом этапе исследований были проведены опыты, целью которых являлось построение зависимости плотности, достигаемой в ходе холодного брикетирования , от давления брикетирования при фиксированной площади сечения брикета и заданной массе насыпки. Брикет (рис. 2, б) представлял собой прямоугольную заготовку, у которой два размера были фиксированными и определялись размерами пресс-формы (15x200 мм). Третий размер брикета формировался в
зависимости от массы насыпки, которая варьировалась и составляла 130, 148 и 180 г. Таким образом, достигалась необходимая плотность брикета и выполнялись ограничения по высоте заготовки для захвата и обжатия валками при реализации процесса совмещенной прокатки-прессования.
Результаты опытов представлены на рис. 3, из которого видно, что для того, чтобы обеспечить относительную интегральную плотность в 60-70%, давление брикетирования должно быть не ниже 40-60 МПа. При этом наблюдается некоторая неравномерность в его распределении, поскольку при холодном брикетировании каждая частица стружки ведет себя в некотором роде как упругий элемент. В совокупности этот эффект суммируется, и, как следствие, возникает ситуация, препятствующая распространению давления брикетирования на большую глубину.
Для получения пресс-изделий использовали установку совмещенной прокатки-прессования, схема которой приведена на рис. 4. Рабочая клеть представляет собой две стальные станины 1 закрытого типа, скрепленные между собой стяжными болтами 2 и смонтированные на общем основании с двигателем, коробкой передач, редуктором и шестеренной клетью (на рисунке не показаны). В подушках на бронзовых подшипниках скольжения 3 установлены оси 4, на которых закреплены валки 5, образующие закрытый калибр. Установка зазора между валками осуществляется с помощью специального механизма, позволяющего производить совместное и раздельное вращение нажимныхвинтов 6.
Перед задачей брикетов в валки их нагревали до максимальной температуры 500+10°С в печи, расположенной вблизи установки СПП. Параллельно проводили подогрев валков до температуры 80-100° С. Подачу брикетов в закрытый калибр (рис. 5), образованный валками, осуществляли последовательно один за другим, стремясь к сокращению до минимума пауз между их поступлением в очаг деформации.
Зазор между валками, составляющий 7-8 мм, обеспечивал уплотнение стружки на стадии прокатки до относительной плотности 85-90°%. Следовательно, в зону распрессовки поступал уже уплотненный материал, что облегчало деформацию осадки металла стружки в поперечном направлении калибра.
Диаметры рабочих отверстий матриц, используемых для получения пресс-изделий, были выбраны 7 и 9 мм, что соответствовало значениям коэффициентов вытяжки при прессовании 8 и 5.
Для изучения характера изменения структуры и распределения механических свойств по длине полученных пресс-изделий от каждого из прутков отделяли передний и задний концы
Рис. 2. Общий вид исходной стружки (а) и заготовки после холодного брикетирования (б) при давлении порядка 100 МПа
р, МПа р, МПа
а б
Рис. 3. Показатели плотности полученных брикетов: а - зависимость плотности брикетов от давления брикетирования при различных значениях массы насыпки; б - зависимость средней относительной плотности брикетов от давления брикетирования
длиной по 50 мм каждый. Оставшуюся часть каждого из прутков делили на 3 равных фрагмента и от каждого из них отбирали образцы для изучения структуры (в продольном и поперечном направлениях) и механических свойств полуфабрикатов.
Анализ полученных микроструктур прутков (рис. 6) показал, что принятая в ходе реализации в лабораторных условиях процесса СПП степень деформации при прессовании оказалась недостаточной для обеспечения качественного схватывания частиц стружки в процессе их совместной деформации. Поэтому необждима дополнительная жшодная деформация с использованием операции волочения. На снимках (см. рис. 6) видны четко выраженные границы раздела между отдельными стружками, представляющие собой поверхностные окисные пленки и достаточно редко встречающиеся несплошности.
Кроме того, следует отметить, что принципиальной разницы между структурами образцов, вырезанных из различных частей отпрессованных прутков диаметром 7 и 9 мм, нет. То есть можно говорить о характерной стабильной структуре, представляющей собой вытянутые в направлении прессования частицы стружки разной толщины, разделенные между собой устойчивыми к деформированию окисными пленками. Мостиков схватывания между стружками практически нет, так как формирование физического контакта протекает в основном на микронеровностях стружки с частичным растеканием (но не разрушением) окисной пленки по всей контактной поверхности.
Замер микротвердости образцов в продольном и
Рис. 4. Схема лабораторная установка для совмещенной обработки алюминиевых сплавов СПП-200
поперечном сечениях (табл. 1) показал, что она в целом по длине распределена более или менее равномерно и ее значения для прутка диаметром 7 мм лежат в интервале НУ = 64—68 кгс/мм2. По поперечному сечению прутка наблюдается явно выраженная неоднородность, причем меньшую микротвердость имеют периферийные слои (НУ = 50-60 кгс/мм2), в то время как для центральных слоев она составляет НУ = 65-70 кгс/мм2. Эта разница особенно заметна на продольных шлифах, что свидетельствует о том, что плотность упаковки вытянутых частиц стружки в периферийных слоях прутка будет чуть ниже, чем в центральных Это обусловлено характером течения материала через используемую в процессе СПП плоскую матрицу и значительным трением на контакте. При этом в некоторых местах может происждить даже некоторое отслоение стружки с периферийных слоев прутка.
Неравномерность истечения будет чуть ниже, если уменьшить значение коэффициента вытяжки при прессовании, увеличив диаметр прессуемого прутка. Результаты замера микротвердости образцов, вырезанных из прутка диаметром 9 мм, свидетельствуют, что уровень микротвердости для всех сечений прутка будет выше, чем у прутка диаметром 7 мм. При этом особенности распределения её имеют как бы обратную картину по сравнению с описанной выше. То есть по длине прутка микротвердость имеет тенденцию понижения значений от переднего к заднему концу, при этом в поперечном направлении разница микротвердости центральных и периферийных слоев практически не выражена.
Рис. 5. Общий вид рабочей клети установки СПП-200
концевая часть
Рис. 6. Изменение микроструктуры (х 160) отпрессованных прутков диаметром 9 мм (а, б) и 7 мм (в, г) в поперечном (а, в) и продольном (б, г) направлениях
передняя часть
серединная часть
Таблица 1
Таблица 2
Микротвердость образцов, вырезанных из различных мест по длине прутков различного диаметра
Место проведения замеров Точки, в которых производили измерение Микрогвердость ИУ5, кгс/мм2 Среднеезначение для образца, ИУ5, кгс/мм2
Продольное сечение Поперечное сечение
Для прутка диаметром 9 мм
Передняя часть периферийная 81,9 81,7 81,13
промежуточная 85,9 77,2
центр 82,4 77,7
Среднеезначение по сечению 83,40 78,87
Середин -ная часть периферийная 79,3 80,0 79,68
промежуточная 77,8 81,3
центр 76,7 83,0
Среднее значение по сечению 77,93 81,43
Концевая часть периферийная 70,0 67,2 70,30
промежуточная 72,4 68,1
центр 73,5 70,6
Среднеезначение по сечению 71,97 68,63
Для прутка диметром 7 мм
Передняя часть периферийная 57,4 64,1 62,85
промежуточная 64,2 62,4
центр 66,3 62,7
Среднеезначение по сечению 62,63 63,07
Середин -ная часть периферийная 52,2 64,4 63,23
промежуточная 68,2 63,0
центр 69,5 62,1
Среднее значение по сечению 63,30 63,17
Концевая часть периферийная 54,6 52,9 61,13
промежуточная 65,5 63,9
центр 65,0 64,9
Среднеезначение по сечению 61,70 60,57
Механические характеристики горячепрессованных прутков из алюминиевых сплавов по ГОСТ 21488-97
Состояние материала прут ков при изготовлении Временное сопротивление разрыву ав, МПа Относительное удлинение б, %
не менее
Без термической обработки 90 15
Закаленное и естественно состаренное 135 13
Закаленное и искусственно состаренное 195 8
Рис. 7. Изменение механических характеристик полуфабрикатов из стружки сплава АД31 после горячего прессования (условно е = 0%) и холодного волочения
Полученные результаты позволяют сделать предварительный вывод, что при изготовлении прутков из стружки сплава АД31 с явно выраженной волокнистой структурой не обязательно стремиться к повышению степени деформации при прессовании. Возможно даже, следует ограничивать её небольшими значениями (до 10 единиц), достаточными для обеспечения необходимой степени уплотнения.
Оценка механических характеристик, проведенная на основании результатов испытаний образцов на растяжение, свидетельствует о том, что предел прочности полученных методом СПП прутков достигает значений 180— 190 МПа, относительное удлинение - 12-16%, относительное сужение - 38-42°%.
Для сравнения в табл. 2 приведены значения механических характеристик горячепрессованных прутков из алюминиевых сплавов, которые должны быть достигнуты согласно ГОСТ 21488-97.
Сопоставление значений прочностных и пластических характеристик позволжт сделать вывод, что уровень механических свойств прутков, полученных методом СПП из стружки алюминиевого сплава АД31, примерно соответствует закалгнному и естественно состаренному состоянию материала прутков после прессования.
Следующим технологическим переделом являлось холодное волочение отпрессованных прутков до получения проволоки конечным диаметром 1 мм, которое осуществлялось на цепном волочильном стане усилием 50 кН без проведения промежуточных отжигов со средним обжатием єср = 15-20°%. Отбор образцов для металлографических исследований и оценки механических характеристик деформированных полуфабрикатов в виде проволоки производился на некоторых промежуточных диаметрах.
Оценка механических характеристик полученной проволоки производилась путем испытания ее на растяжение с определением временного сопротивления разрыву ств, относительного удлинения 8 и относительного сужения у. Результаты испытаний приведены на рис. 7, причем точками отмечены средние значения указанных характеристик для пяти испытанных образцов.
щм ’,:-1
Рис. 8. Микроструктура (х 160) поперечного сечения проволоки диаметром 6 мм (а, б), 3,7 мм (в, г), 2,8 мм (д, е) и 1 мм (ж, з), полученной из прутков диаметрами 7 мм (а, в, д, ж) и 9 мм (б, г, е, з)
На рис. 8 представлены микроструктуры поперечного сечения проволоки, полученной с разной величиной обжатия из прутков диаметрами 7 и 9 мм. Изменение структуры с увеличением относительного обжатия для обоих случаев идентично, т.е. по мере уменьшения диаметра протянутой проволоки происходит измельчение структуры с постепенно усиливающейся раздробленностью структуры в приповерхностных слоях проволоки.
Это связано с неравномерностью распределения деформации по сечению проволоки при волочении, когда деформированию в большей степени подвергаются слои, контактирующие с волокой. При этом в приповерхностных слоях проволоки (см. рис. 8) происходит диспергирование окисной пленки, которое наряду с утонением структуры должно положительно сказываться на формировании свойств полученной продукции. Существенное влияние на это не должны оказывать и прослеживаемые на некоторых представленных структурах отдельные дефекты в виде нарушения сплошности. Они носят случайный характер, не связанный с реализацией предложенной технологической схемы.
Таким образом, по результатам проведенных исследований можно рекомендовать новую энергосберегающую технологию получения алюминиевой проволоки из анизотропного композиционного материала, свойства которого обусловлены ориентированием волокон в одном направлении. При этом в данном случае речь идет о технической анизотропии, «проектируемой» заранее и возникающей при пластической деформации с определенной схемой деформации. Отрезки волокон (вытянутых стружек) имеют, в зависимости от величины утонения, разную длину. Поэтому на единицу площади поперечного сечения вырезанных из прутков образцов, как в продольном, так и поперечном направлении, приходится разное число волокон. Причем чем больше степень деформации
при волочении (меньше диаметр проволоки), тем больше будет протяженность границ между стружками в поперечном сечении.
Работа выполнена в рамках реализации научнотехнических исследований, разработок, инновационных программ и проектов для обеспечения конкурентных преимуществ экономики Красноярского края, проводимых Красноярским краевым фондом поддержки научной и научно-технической деятельности.
Список литературы
1. Цыганов А.С. Производство вторичных цветных металлов. М.: Металлургия, 1961. 301 с.
2. Щерба В.Н., Райтбарг Л.Х. Технология прессования металлов. М.: Металлургия, 1995. 336 с.
3. Корнилов В.Н. Непрерывное прессование со сваркой алюми-ниевых сплавов. Красноярск: Изд-вопед. ин-та, 1993. 216 с.
4. Седельников С.Б., Довженко Н.Н., Загиров Н.Н. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов: монография. М.: МАКС Пресс, 2005. 344 с.
5. А.с. 1692739 СССР, МПК5 B 21 C 23/08. Устройство для получения проволоки и профилей / С.Б. Седельников, В.Н. Корнилов, Н.Н. Довженко (СССР).
List of literature
1. Ciganov A.S. Production of secondary non-ferrous metals. M.: Metallurgy, 1961. 301 p.
2. Sherba V.N., Rightbarg L.H. Technology of metals extruding. M.: Metallurgy, 1995. 336 p.
3. Kornilov V.N. Continious extruding with welding of aluminium alloys. Kranoyarsk: Publishing house of pedagogical institute, 1993. 216 p.
4. Sidelnikov S.B., Dovjenko N.N., Zagirov N.N. Combined and complex methods of forming non-ferrous metals and alloys: monograph. M.: MAKS Press, 2005. 344 p.
5. C.e. 1692739 USSR IPC5 V 21 S 23/08. Device for receipt wire and profiles / S.B. Sidelnikov, V.N. Kornilov, N.N. Dovjenko.
УДК 658.562
Федосеев С.А.
УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ КАК МЕХАНИЗМ ПОВЫШЕНИЯ
КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
Начиная с 70-х годов XX века и по настоящее время конкуренция за потребителя ведется производителями в условиях насыщенного рынка, так называемого рынка потребителя. Чтобы выжить в острой конкурентной борьбе, многие предприятия в этот период вынуждены соблюдать принцип «высокое качество по низкой цене».
Одной из наиболее эффективных и признанных в мире методологий, реализующих данный принцип, является Всеобщее управление качеством (Total Quality Management, TQM). В работе [1] отмечается, что TQM является высшим этапом корпоративного менеджмента. Внедрение TQM становится не только возможным и необждимым, но и эффективным только тогда, когда
предприятие достигло высот в общем управлении, в частности в управлении производством.
Методология TQM построена на базовых принципах, среди которыхможно выделить следующие:
1) Процессный подход. Предприятие должно определить процессы проектирования, производства и поставки продукции или услуги. С помощью управления процессами достигается удовлетворение потребностей заказчиков.
2) Системный поход к управлению. Результативность и эффективность деятельности предприятия могут быть повышены за счет создания, обеспечения и управления системой взаимосвязанных процессов.
3) Ориентация на заказчика. Предприятие всеце-
