CC BY
63
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 621.777
Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Виноградов О.О., Лопатина Е.С., БогдановД.В., Архипов Ю.А.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕННОГО ЛИТЬЯ, ПРОКАТКИ И ПРЕССОВАНИЯ ДЛЯ ПРППОЙНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СЕРЕБРА
В настоящее время глубокая переработка серебра является одним из перспективных направлений работы таких профилированных металлургических предприятий, как Красноярский завод цветных металлов. Серебро относится к числу благородных металлов и считается самым распространенным из них, обладает ценными физико-химическими свойствами: высокой теплопроводностью, электрической проводимостью и ре-акционноспособностью, высокой отражательной способностью, довольно высокой пластичностью. Около 20% серебра используют в виде сплавов с палладием, золотом, медью, цинком и другими металлами, которые идут на изготовление контактов, припоев, проводящих слоев, элементов реле и другихустройств в электротехнике и электронике. Сплавы с золотом и медью, а также с оловом, цинком используют в стоматологии для пломбирования и протезирования. Примерно 20-25°% серебра расждуют на изготовление элементов питания серебряно-цинковых аккумуляторов, обладающих высокой энергоемкостью (космическая и оборонная техника), оксидно-серебряных элементов питания часов и т.п. Из серебра изготовляют монеты, ювелирные изделия, украшения, столовую посуду. Таким образом, по-
Рис. 1. Установки совмещенного литья, прокатки и прессования металла
требность в деформированных полуфабрикатах небольшого поперечного сечения из серебра и его сплавов достаточно велика, при этом особое место занимает производство полос, прутков и проволоки из припой-ныхсплавов типа ПСР-40, ПСР-72 и др.
Для производства таких пресс-изделий предложены новые технологии и устройства совмещенного литья, прокатки и прессования (СЛИПП), которые позволяют минимизировать количество металлургических переделов, что в конечном счете снижает себестоимость продукции [1].
Одним из технических решений в этом направлении является устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования металла [2] (пат. 73245), включающее (рис. 1) печь-миксер 1 с регулятором 2 подачи расплава в калибр валков, валок 3 с ручьем и валок 4 с выступом, расположенные в станине 5, имеющие полости 6 для охлаждения и образующие закрытый калибр, перекрытый на выходе матрицей 7 с клиновидными полостями для охиаждения 8. Для поджима матрицы к валкам имеется клиновой механизм 9, снабженный направляющими роликами 10. За ними расположена моталка 11, которая обеспечивает смотку готового пресс-изделия в бухту. Устройство работает следующим образом. Ме-, талл, расплавленный с помощью пе-
чи-миксера 1, захватывается валками 3 и 4. В процессе работы регулятор 2 дозирует количество металла, подаваемого в калибр валков, уменьшая или увеличивая поток расплава. При этом на поверхностях водоохлаждаемых валков 3, 4 начинается кристаллизация металла. Далее закристаллизовавшийся в виде заготовки металл обжимается в закрытом калибре, рас-прессовывается перед матрицей 7 и выдавливается в калибрующее отверстие матрицы с образованием пресс-изделия заданной формы и размеров. Выждной конец движущегося пресс-изделия попадает в направляющие ролики 10, которые изменяют его направление движения на 90° и передают на моталку 11, где производится смотка в бухту.
'"л V
V-; /\
\
Применение данного устройства актуально, например, для получения припойной проволоки из сплавов на основе серебра. Однако для проектирования технологических режимов обработки необходимо знать закономерности распределения температуры полуфабриката и тепловые условия процесса. С этой целью моделировали процесс СЛИПП с помощью разработанной ранее программы «СЛИЛ» с использованием системы программирования БЕЬРШ (рис. 2).
В качестве значимых параметров были выбраны следующие: Ь - минимальный зазор между валками; Ьр - высота зеркала матрицы; Ьвх- высота вжда расплава в активную зону, которая может быть рассчитана по известным геометрическим соотношениям; ю - угловая скорость валков; Я - средний радиус валков. При этом температура расплава на входе в активную зону была строго фиксированной и равнялась То = 632° С. Температура валков в начале процесса составляла Тв = 20° С. Кроме того, задавались соответствующие теплотехнические характеристики для серебра (см. рис. 2) и значение коэффициента К при контактном обмене (К=100).
Значение К используется в качестве дополнительного корректирующего коэффициента, учитывающего процессы теплопередачи иными механизмами (конвекцией, испарением, кипением жидкости и др.).
Результаты расчета для различных условий ведения процесса (водоохлаждаемые и неводоохлаждаемые валки) представляли в виде графиков зависимости температуры металла от времени протекания процесса по длине зоны очага кристаллизации-деформации (рис. 3) в трех характерных местах (сечениях): в центре полуфабриката, на поверхности контакта металла с валками и на оси, равноудаленной от них Распределение температуры носит нелинейный характер, при этом, как видно из графиков, на поверхности контакта значение температуры значительно ниже, чем в центральных слоях, что обусловлено отбором тепла валками. Характерной особенностью полученных зависимостей является незначительное уменьшение температуры на контакте с водоохлаждаемыми валками, всего на 80-100°С. По всей видимости, данное явление обусловливается теплофизическими свойствами исследуемого сплава. Проведенные теоретические расчеты изменения температуры в процессе литья, прокатки и прессования показали, что этот процесс может быть осуществлен с минимальными энергозатратами.
Однако для его реализации не -
обходимо создание экспериментальной установки на базе предложенного устройства и проектирование инструментального узла с целью получения заготовки для проволоки тонких размеров.
С использованием результатов компьютерного моделирования для получения проволоки из серебра и его сплавов в условиях ювелирной лаборатории кафедры ОМД ИЦМиМ СФУ была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка. Модельная установка (рис. 4) включала следующие основные элементы: станину, изготовленную из двух стальных пластин, соединенных между собой четырьмя стяжными шпильками; валковый узел, состоящий из валка с выступом и валка с вырезом, образующими закрытый ящичный калибр размерами 9x4 мм; прессовый инструмент и поджимной узел пружинного типа; подшипники качения, расположенные в отверстиях станины и обеспечивающие
Параметры установки
Ешт
^еплотехнически^ар^
Базовый вариант данных
Применить I
Кристаллизация:
(* в валках без воаяного охлаждеь С в водоохлаждаемых валках
Шаг изотермы
Средний катающий радиус валков Минимальный зазор между валками Угловая скорость валков Количество точек
Т емперагура жидкого металла на вход активную зону
Конечная температура металла Т емперагура солидус Значение К при контактном обмене Суммарная длина зоны охлаждения, кристаллизации и прокатки Высота зеркала матрицы
проскальзывания на входе А0= ШЇ
Т емперагура валков в начале процесса Коэффициент трения Коэффициент шага сетки Р=[3-8] Ширина калибра
Высота потока расплава на входе в активную зону
Длинна зоны распрессовки 1_р =
|ВД ,град. цел.
р мм
Цд )К мм
рад/с
1±Ь
*$■632 X
Т4 =|438 Т
Т7=[б14 *С
К= ]ЙЙ
ЬІ I мм
ПР= |24 мм
МЬі
А0= |0;8
йЯв®
Т1 = |®' X
кт= |0.э
Р-18
В = І15 мм
Ню=|ЗГ мм
Рис. 2. Окно программы с исходными данными для расчета
Совмещенное литье -прокатка-прессование
Файл Процесс Результаты Помощь
Распределение температуры по сечению полуфабриката
Длина зоны, мм
Зона распрессовки
Рис. 3. Зависимости распределения температуры металла по длине зоны очага кристаллизации-деформации
Рис. 5. Виды недокатов и пресс-изделий, полученных методом совмещенной обработки сплава ПСР-40
Механические свойства прутков из сплава ПСР-40
1 — -
I *— >-
Рис. 4. Общий вид модельной установки СЛИПП-80
вращение валков. Валки приводились во вращение с помощью электродвигателя мощностью 120 Вт через червячный редуктор. Окружная скорость вращения валков составила 2,5 об/мин.
Опробование процессов совмещенной обработки проводилось на сплаве ПСР-40 с помощью способа совмещенного литья, прокатки и прессования на модельной установке СЛИПП-80 и лабораторной установке
Состояние образца
Параметр после деформации после отжига
Временное сопротивление разрыву, МПа 579,7 392,2
Предел текучести, МПа 141,9 33,2
Относительное удлинение, % 4,1 16,5
Относительное сужение, % 9,0 0,3
Рис. 6. Микроструктура деформированных образцов диаметром 7 (а, б) и 9 мм (в, г) при разном увеличении х800 (а, в) и х 1600 (б, г)
СЛИПП-200 [1]. Результаты исследований в виде недокатов и пресс-изделий приведены на рис. 5, при этом следует отметить, что основной целью моделирования было определение осуществимости процесса при достаточно малых размерах пресс-изделия (2,0-3,0 мм), который был опробован экспериментально впервые.
Еще одной задачей исследований являлось определение энергосилэвыхпараметров процесса для формирования требований технического задания на проектирование опытно-промышленной установки. С помощью месдоз и фиксирующей аппаратуры на установке СЛППП-200 замерялись усилия, действующие на валки и матрицу при реализации процесса заливки металла непосредственно в валки и последующей его кристаллизации-деформации с получением пресс-изделий диаметром 7 и 9 мм. С помощью самописца были построены осциллограммы и зафиксированы следующие значения силовых параметров:
- для прутка диаметром 7 мм максимальное усилие на валках составило 195,31 кН, а максимальное усилие на матрице - 258,35 кН;
- для прутка диаметром 9 мм максимальное усилие на валках составило 94,96 кН, а максимальное усилие на матрице - 163,96 кН.
Для исследования механических свойств полученных полуфабрикатов из прутка диаметром 9 мм были изготовлены образцы для проведения ис-
Рис. 7. Микроструктура отожженных образцов диаметром 9 мм при разном увеличении х800 (а) и х 1600 (б)
пытаний методом растяжения из нового сплава ПСр-40 [3]. Образцы имели длину рабочей зоны 30 мм и диаметр 6 мм. Один из образцов был подвергнут отжигу при температуре 500°С, второй остался упрочненным.
Испытания проводили на универсальной машине ЬГЫ 400, а их целью было определение временного сопротивления разрыву, предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения при разрушении образца. В результате проведения испытаний были определены механические свойства деформированного и отожженного образцов (см. таблицу).
Для металлографических исследований были подготовлены микрошлифы из полученных образцов (рис. 6), причем материал прутка диаметром 9 мм исследовался как в деформированном, таки в отожженном состоянии. Срез образцов подвергался шлифовке, полировке и травлению. Исследование проводилось с помощью микроскопа, имеющего кратность увеличения 800 и 1600. В результате исследования было выжнено, что соотношение между серебром и медью 40:35 соответствует несколько заэвтектическому положению сплава на двойной диаграмме Ag-Cu. Поэтому структура припоя в литом состоянии содержит достаточно пластичные избыточные кристаллы твердого раствора компонентов системы на основе меди и эвтектику между твердыми растворами на основе меди и серебра. Цинк и индий наждятся в составе указанных твердых растворов, не образуя самостоятельных интерметаллидных фаз. Однако, в системе Си-1п возможно выделение вторичных выделений интерметал-лида 5-фазы, что может приводить к достижению достаточной прочности припойного сплава.
Для проведения пластической деформации сплав подвергался отжигу при температуре 400-450°С с выдержкой порядка 1 ч. Условия горячей деформации определялись этими же температурными интервалами. Это тем более важно, так как превышение этого температурного интервала может привести к эффекту пережога как при термической обработке, так и при горячей пластической деформации. Структуры исследуемых образцов представлены на рис. 7.
Таким образом, было проведено компьютерное моделирование и экспериментальное опробование процесса совмещенного литья, прокатки и прессования, результаты которого позволили утверждать, что для получения пресс-изделий небольшого поперечного сечения из серебра и его сплавов можно применять схему совмещенной обработки с использованием в качестве исходного
материала расплава металла. Выявлены закономерности распределения температуры вдоль очага деформации-кристаллизации и влияние на нее охлаждения инструмента. На модельной установке с диаметром валков 80 мм отработаны режимы совмещенной обработки, определены конструктивные особенности выполнения отдельных узлов, уточнены температурно-скоростные условия проведения процесса и получены образцы пресс-изделий. На экспериментальной установке СЛИПП-200 получены образцы пресс-изделий разного диаметра, замерены энергосиловые параметры процесса, определены механические свойства и проведены металлографические исследования свойств образцов из нового припой-ного сплава на основе серебра ПСр-40.
Список литературы
1. 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.
2. Паг. 73245 РФ. Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования цветных металлов и сплавов / Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Лопатина Е.С., Соколов Р.Е., Виноградов 0.0. Пещанский А.С., БеляевС.В.
3. Паг. 2335385 РФ. Припой на основе серебра / Довженко Н.Н., Ходюков Б.П., Сидельников С.Б. [и др.].
List of literature
1. 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.
2. Patent 73245 RF. Device for continuous casting, rolling rolling and pressing of non-ferrous metals and alloys / Sidelnikov S.B., Dovjenko N.N., Lopatina E.S., Sokolov R.E., Vinogradov O.O. Pe-shanskiy A.S., Belyaev S.V.
Patent 2335385 RF. Solder based on silver / Dovjenko N.N., Ho-dukov B.P., Sidelnikov S.B. [and others].
3.
