Моделирование формирования структуры высокоуглеродистой проволоки в процессе радиальносдвиговой протяжки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.778.1.014-426

В.А. Харитонов, М.Ю. Усанов

ФГБОУВПО «МГТУ»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ ПРОВОЛОКИ В ПРОЦЕССЕ РАДИАЛЬНО-СДВИГОВОЙ ПРОТЯЖКИ

Высокоуглеродистая стальная проволока среди материалов, получаемых с помощью холодной обработки металлов давлением, является одной из самых прочнейших. Сталь приближенно эвтектоидной структуры после термической обработки (патентирования) приобретает микроструктуру троостита и это позволяет деформировать ее волочением в виде проволоки до очень больших деформаций, и получать проволоку с пределом прочности более 5000 МПа. Такой материал широко используется в виде металлокорда, предварительно напряженной арматуры для железобетона, канатов и пружин. Проволока обычно производится из патентированной катанки на непрерывном оборудовании многократного волочения с конечными скоростями несколько метров в секунду. Важными механическими свойствами высокоуглеродистой стальной проволоки являются условный предел текучести, предел прочности при растяжении, релаксационная стойкость и пластичность; последняя обычно характеризуется числом скручиваний и знакопеременных изгибов до разрушения. Данные свойства зависят от химического состава стали, способа ее производства и методов горячей прокатки, используемых для производства катанки и, кроме того, от особенностей процесса патентирования и большого количества параметров самого процесса волочения [1].

С точки зрения технологии, при волочении решаются две задачи: получение заданных форм и размеров на готовой проволоке и формирование требуемого комплекса физико-механических свойств, определяющих потребительские свойства проволоки и проволочных изделий [2]. Первая задача решается рациональным выбором размеров исходной заготовки - катанки, размеров передельных заготовок и расчета переходов при волочении внутри каждого передела. Вторая задача сводится к определению марки стали и оптимальных величин суммарных и частных обжатий для достижения на готовом размере заданных физико-механических свойств, нормируемых соответствующими государственными стандартами и техническими условиями.

В результате обширных экспериментальных исследований [2, 3] Embury и Fisher предприняли попытку математического описания вытянутой микроструктуры в результате деформации волочением. Взяв за основу, что расстояние между пластинками цементита (S) непрерывно уменьшается при увеличении суммарной степени деформации или межпластиночное расстояние уменьшается пропорционально диаметру про-

S d

волоки d, — = — , (So — межпластиночное расстояние при начальном

S0 d0

диаметре проволоки d0).

В теории ОМД для описания деформированного состояния используют одноименные тензоры, а в инженерной и экспериментальной практике обычно используют скалярные величины. В качестве одной из таких величин используется степень деформации е, определяемую интегрированием интенсивности скоростей деформаций по ее траектории [4].

в = 1п(д /Ь0)= 2In(d0 / ¿//.). где ¡Л). Lk и do. ¿4 - исходный и конечный длина и диаметр образца, соответственно.

Эффективными методами накопления деформации являются кручение под давлением и стесненное кручение, поскольку всего за 0,5... 1 оборот даже в близкой к центру диска области достигается значительная степень деформации — е = 17...18. Для накопления примерно такой же деформации при РКУП требуется большое число проходов - 16, а при растяжении, прокатке, волочении необходимо вытянуть образец в 10 млн. раз [4]. Однако эти методы неприменимы при производстве длинномерных изделий, к которым относится, прежде всего, проволока. Кроме того, эти методы не позволяют изменить размеры проволоки и требуют предварительной обработки классическими методами ОМД.

Одним из эффективных методов деформации, сочетающих формоизменение и интенсивное структурообразование, является радиально-сдвиговая прокатка, которая определяется как частный случай винтовой прокатки в области больших углов подачи и применяется для производства круглого проката, прутков и заготовок [5]. Однако, радиально-сдвиговую прокатку практически невозможно применять при производ-

На кафедре машиностроительных и металлургических технологий МГТУ им Г.И. Носова был предложен способ, получивший название ра-диально-сдвиговая протяжка (РСП) [6]. Радиально-сдвиговая протяжка осуществляется деформацией ее тремя не приводными роликами, расположенными под углом 120 градусов друг к другу и повернутыми на угол подачи, путем приложения к проволоке (катанке) переднего тянущего усилия без вращения обрабатываемой проволоки. Каждый ролик имеет рабочий конус и калибрующий поясок.

Для изучения процесса РСП было проведено моделирование в программном комплексе Deform 3D. В качестве исходной заготовки использовалась круглая катанка из стали марки 80 диаметром 16,00 мм,

Моделирование проводилось с некоторыми упрощениями и допу-

- протяжку считали холодной (принималась температура заготовки

20° С);

- трение по всей поверхности контакта с рабочими роликами подчинено закону трения по Зибелю, при этом коэффициент трения постоянен по всей контактной поверхности;

- рабочие ролики рассматривались как абсолютно жесткие тела;

- угол подачи роликов 20 градусов;

- угол конической части роликов 4 градуса.

Для лучшего понимания и анализа процесса РСП одновременно с ним был смоделирован процесс волочения в монолитной волоке по такому же маршруту. Процесс волочения на данный момент хорошо изучен теоретически и практически. Волочение проводилось с полууглом волоки

Для моделирования формоизменения заготовки посередине заготовки наносилась лагранжева сетка с размером ячеек 1x1 мм (рис. 1, а).

После первой протяжки сетка в процессе волочения вытягивается в продольном направлении и уменьшается в поперечном (рис. 1, б). В процессе РСП сетка закручивается на угол 67 градусов и также как при волочении вытягивается в продольном направлении и уменьшается в поперечном (рис. 1, в).

а б в

Рис. 1. Изменение исходной сетки (а) при волочении (б) и радиально-сдвиговой протяжке (в)

В последующих проходах при волочении сетка удлинялась в продольном направлении и уменьшалась в поперечном (рис. 2).

Рис. 2. Изменение размеров и формы сетки при волочении

Размеры ячеек после пяти протяжек приведены в табл. 1.

В процессе РСП сетка закручивалась на меньший угол (т.е. плотность навивки становится выше) и «витки» становятся как бы ближе друг к другу (рис. 3). Угол скручивания после пятой протяжки стал равным 52 градусам.

Проекции размеров ячеек в поперечном направлении после РСП представлены в табл. 2.

Таблица 1

Изменение размеров ячеек при волочении

1 Край, мм 2 3 4 5 6 7 8 Центр

2,76 2,56 2,54 2,53 2,5 2,51 2,51 2,52

0,55 0,62 0,63 0,64 0,62 0,63 0,63 0,62

2-й проход

3-й проход 4-й проход 5-й проход

Рис. 3. Изменение размеров и формы сетки при радиально-сдвиговой протяжке

Изменение размеров ячеек при РСП

Таблица 2

1 Край, мм 2 3 4 5 6 7 8 Центр

2,25 2,13 2,43 2,43 2,41 2,48 2,50 2,48

0,52 0,59 0,69 0,66 0,62 0,60 0,64 0,66

Траектория течения металла после РСП будет выглядеть как «пружина», навитая относительно центра проволоки, в отличие от процесса волочения, где структура вытягивается вдоль оси волочения (рис. 4). При РСП удлинение винтовой линии «компенсируется ее сжатием» (подобно виткам сжимаемой пружины), причем настолько, что проекция винтовой

Рис. 4. Траектории течения металла: а — волочение, б - РСП

Из табл. 1 и 2 видно, что размеры ячеек практически совпадают. Однако в случае РСП приведены их проекции, что говорит о том, что при одинаковой вытяжке и обжатии будет происходить интенсивное измельчение структуры за счет геликоидального течения. Как видно из рис. 4, а при РСП внешние слои получают большее удлинение в отличие от простого процесса волочения (см. рис. 4, 6).

Истинная величина деформации при РСП определяется согласно [7] по изменению угла между образующей поверхности проволоки и плоскостью поперечного сечения. При этом логарифмическая деформация скручивания представляет собой логарифм отношения этого исходного углового размера (90°) к конечному: е^ = 1п(90°/у) , где у - угол подъема винтовой линии (рис. 5).

Величина накопленной деформации определяется по формуле [8]:

е = 21п(у 1 + 1п

^90

^ У

(1)

у=90»Ч

Рис. 5. Характер изменение угла скручивания у: а - при волочении; б - при радиально-сдвиговой протяжке

Значения углов подъема винтовой линии при РСП по протяжкам приведены в табл. 3.

Таблица 3

Угол подъема винтовой линии при РСП

1-я протяжка 2-я протяжка 3-я протяжка 4-я протяжка 5-я протяжка

Угол скручивания, град 73 62 58 56 54

Результаты расчета степени накопленной деформации при волочении и РСП представлены в табл. 4, а характер изменения накопленной деформации по проходам показан на рис. 6. Суммарно за 5 протяжек после РСП накопленная деформация составила 1,45 (см. табл. 2).

Таблица 4

Накопленная степень деформации при волочении и РСП

Вид деформации 1-я протяжка 2- я протяжка 3-я протяжка 4-я протяжка 5-я протяжка марно

Волочение 0,23 0,21 0,18 0,17 0,15 0,94

РСП 0,44 0,37 0,25 0,20 0,19 1,45

5Я

| 0'5 1 I 0'4

1 I

и а

3-8. °'2

Я <ч

I 4 °'1

0 1 2 3 4 5 6 Номер прохода

Рис. 6. Накопленная степень деформации при волочении и РСП

Анализ данных табл. 4 и рис. 6 показывает, что величина накопленной суммарной деформации при РСП в 1,5 раза выше, чем при волоче-

■РСП

■ Волочение

нии, причем, равенство деформаций наступило уже после трех проходов

Также было проанализировано деформированное состояние в Deform 3D при волочении и РСП. На рис. 7 представлена картина распределения накопленной деформации по сечению проволоки при волочении (см. рис. 7, а) и РСП (см. рис. 7, б).

Рис. 7. Поля распределения интенсивности логарифмических деформаций при волочении (а) и РСП (б)

На рис. 8 показано распределение логарифмических сдвиговых деформаций при волочении (рис. 8, а) и РСП (рис. 8, б).

Анализ рисунков показывает, что при РСП идет более интенсивное измельчение структуры, чем при волочении. При волочении наблюдается более равномерный характер распределения сдвиговых деформаций, однако их интенсивность при РСП значительно выше.

Выводы: показано, что радиально-сдвиговая протяжка, по сравнению с волочением в монолитных волоках, при равных степенях линейной деформации, обеспечивает более интенсивное накопление сдвиговой степени деформации, и тем самым способствует получению ультрамелкозернистой и наноструктуры.

Рис. 8. Распределение логарифмических сдвиговых деформаций при волочении (а) и РСП (б)

Библиографический список

1. Битков В.В. Технология и машины для производства проволоки. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 343 с.

2. Коковихин Ю.И. Технология сталепроволочного производства. ИСИО. К., 1995. 608 с.

3. Embury J. D„ Fisher R. M. // Acta. Metall. 1966. Vol. 14. P. 147-159.

4. Утяшев Ф.З. Связь между деформированным и структурным состояниями металла при интенсивной пластической деформации // КШП. ОМД. 2011. №5. С. 33-39.

5. Потапов H.H., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1990. 344 с.

6. Совершенствование режимов деформации и инструмента при волочении круглой провлоки //В. А. Харитонов, А. К)., Манякин, М.В. Чу-кин, Ю.А. Дремин, и др. Монография. Магнитогорск: Изд-во Магни-тогрск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. 174 с.

7. Патент РФ № 2038175 МПК В21В1/02, В21В19/00, опубл. БИ 27.06.1995.

8. Иванов М.Б., Пенкин A.B. и др. Теплая поперечно-винтовая прокатка в валках конической формы как метод интенсивной пластической деформации // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 9. С. 13-18.