CC BY
58
7. Evolution of structure and phase composition of steel 20X13 in the course of strengthening electron-beam treatment and the subsequent fatigue loading / D.A. Bessonov, Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov [etc.] // Deformation and destruction of materials. 2011. № 12. P. 19-23.
8. Engele L., Klingele G. Raster electronic microscopy. Destruction: Reference edition. Tran. from Germ. M.: Metallurgy, 1986. 232 p.
9. Utevskiy L.M. Diffraction electronic microscopy in metallurgical science. M.: Metallugry, 1973. 584 p.
10. Endryus K., Daison D., Knoun S. Electron-diffraction patterns and their interpretation. M.: Mir, 1970. 256 p.
УДК 621.771:621.777
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПРОВОЛОКИ ИЗ СТРУЖКОВОЙ СМЕСИ МЕДИ с цинком
Загиров Н.Н., Иванов Е.В., Аникина В.И., Роговой А.А.
ФГАОУВПО «Сибирский федералъныиуниверситет», г. Красноярск, Россия
Одним из направлений развития технологий получения полуфабрикатов и изделий с применением в качестве исходного сырья сортных сыпучих стружковых отходов цветных металлов и сплавов, не предполагающих их переплав [1], является использование для их изготовления предварительно сформированных стружковых композиций определенного химического состава. Эти композиции в своем изначальном виде представляют собой механические стружковые смеси, выбор и процентное соотношение компонентов которых обусловлены, в первую очередь, механическими и эксплуатационными характеристиками получаемого конечного продукта, например, прутка или проволоки. При составлении их обязательно должны учитываться те возможные процессы и явления, которые могут протекать на границах разнородных частиц используемых металлов при их совместной пластической деформации.
Влияние большого числа факторов на сварку металлов давлением [2] не позволяет однозначно подходить к разработке технологии получения такого типа стружковых материалов. Однако основным моментом для процессов получения полуфабрикатов из механической смеси стружковых компонентов можно считать выполнение требований по снижению прочностных характеристик, как отдельных частиц стружки, так и всего брикета в целом, за счет применения операций, проводимых при повышенных температурах, соответствующих температуре горячей обработки. А также обеспечение в ходе деформирования необходимых условий по разрушению окисных пленок на поверхности частиц, способствующих интенсификации их схватывания за счет использования схем с повышенным уровнем сдвиговых деформаций. При этом, чем меньше пластичность окисных пленок, по сравнению с пластичностью основного металла, тем легче они разрушаются, создавая благоприятные условия для протекания на границах частиц стружки диффузионных процессов.
В работе за материал основы при составлении стружковой смеси бралась сортная сыпучая стружка меди марки М1, образующаяся при резке прессованных прутков на ленточной пиле. В качестве материала добавки была выбрана стружка примерно такого же типоразмера технического цинка марки Ц2. Предварительная обработка стружки обоих материалов не проводилась. Конкретной цели получения композиционной проволоки определенного функционального назначения не ставилось, поэтому ориентиром решено было взять один из сплавов системы медь-цинк, а именно простую (двойную) латунь Л90.
Конечным продуктом при выполнении работы была принята холоднотянутая проволока диаметром от 3 до 5 мм. Задача ставилась изучить основные особенности поведения мате-
риала при осуществлении ключевых технологических операций в ходе изготовления проволоки, выявить общие закономерности формирования её структуры, а также провести сопоставление уровня достигнутых механических характеристик с уровнем свойств продукции, получаемой традиционным способом из литой латуни Л90 [3].
Технологическая схема изготовления проволоки с использованием стружковой смеси, полученной механическим смешиванием компонентов в соотношении 90 % меди: 10 % цинка (по массе), а также наименование и параметры осуществления основных ее операций, приведены на схеме (рис. 1).
Как видно из приведенной схемы, технологический процесс изготовления стружковой проволоки можно условно разбить на два этапа:
- получения промежуточной заготовки для волочения, включающий стадии подготовки стружковой смеси к компактированию, прессования ее, нагрева полученных прессовок перед экструзией и горячую экструзию на пруток заданного диаметра;
- непосредственного получения проволоки, состоящий из многократно повторяющихся операций протягивания заготовки через волоки (фильеры), а также некоторых сопутствующих и вспомогательных операций.
На стадии осуществления горячей экструзии были опробованы два варианта, отличающиеся друг от друга только типом используемой матрицы (рис. 2), а следовательно, и характером истечения металла из матрицы.
Эффект дополнительного скручивания прутка по одному из вариантов достигался за счет нанесения на калибрующий участок матрицы нескольких неглубоких канавок в виде винтовых линий с определенным шагом и углом подъема ф, составляющем в нашем случае величину порядка 20°. Прутки после выдавливания через такую матрицу имели рифленую поверхность (рис. 3), а сообщаемую материалу дополнительную сдвиговую деформацию оценивали по формуле X = ф.
Рис. 1. Технологическая схема получения проволоки из стружковой смеси меди с цинком
Рис. 3. Внешний вид прутков после выдавливания через матрицу
с винтовыми канавками
Как свидетельствуют результаты проведенных экспериментов, при волочении проволоки из прутков, полученных из стружковой смеси с использованием матриц обоих типов, в основном проявляются те же закономерности, что и при волочении прутков, изготовленных по обычной (слитковой) технологии [4]. При этом, поскольку рекомендаций по выбору оптимальных единичных и суммарных обжатий для волочения стружковых материалов в литературе нет, прежде всего, необходимо было выявить деформационные особенности волочения проволоки из исследуемого материала, а также установить характер изменения прочностных и пластических свойств её.
Волочение как гладкого, так и рифленого прутков производилось по одному маршруту, за исключением начального этапа, поскольку для сглаживания рифлений на поверхности одного из них требовались 2 дополнительных калибрующих прохода. Единичное обжатие за проход составляло порядка 20-30 %. При этом после протяжки прутков до диаметра 6 мм их делили на две части, одну из которых отжигали при температуре 600 °С в течение одного
17
часа, а вторую - термообработке не подвергали. Далее обе части дотягивали до конечного диаметра 3,3 мм. Параллельно для построения необходимых зависимостей на определённых диаметрах осуществлялся отбор фрагментов проволоки, которые в дальнейшем подвергали растяжению до разрыва на универсальной испытательной машине.
Путем обработки полученных данных рассчитывали механические характеристики материала проволоки после холодного деформирования с определенной степенью деформации, которые в виде экспериментальных точек, отражающих обобщенные зависимости ав = /(в^) и 5 = /(в^), приведены на рис. 4. Здесь же для сравнения сплошными линиями нанесены указанные зависимости для случая волочения проволоки, исходным материалом для изготовления которой служил пруток, полученный из литой заготовки латуни Л90. Под показателем в^ подразумевалось суммарное обжатие проволоки либо с исходного диаметра прутка перед волочением, либо с диаметра, на котором производился промежуточный отжиг. Для расчета в каждом из случаев использовали формулу
й02 - й}
■ 100%.
20 40 60
Суммарное относительное обжатие Рис. 4. Механические характеристики полученной с разной величиной относительного обжатия проволоки из стружковой смеси меди с цинком в сравнении со свойствами проволоки из латуни Л90, изготовленной по традиционной технологии
Из представленных на рис. 4 данных следует, что в целом характер изменения механических характеристик проволоки, полученной из стружковой смеси, практически не отличается от того, что свойственен холодной обработке компактного материала. Особенность заключается только в том, что при суммарном относительном обжатии, превышающем 50 %, интенсивность упрочнения стружковой проволоки выражена в большей степени, чем компактной. При этом до указанной степени деформации прочностные свойства (ов) проволоки находятся практически на одном уровне, а пластические (5) - чуть выше у стружковой.
Сообщение на этапе экструзии материалу дополнительных сдвиговых деформаций за счет скручивания прутка приводит к устойчивому повышению прочностных характеристик стружковой проволоки, которое составляет стабильно от 8 до 10 %. Пластические характеристики при этом почти не изменяются.
Одновременно с проведением испытаний образцов проволоки на растяжение были выполнены металлографические исследования полученных прутков и проволоки, целью которых являлось выявление особенностей формирования их структуры после осуществления отдельных этапов реализации общей технологической схемы. Данные исследования проводились с использованием микроскопа NEOFOT-32.
Можно отметить, что уже начиная с диаметра 7 мм после волочения с небольшим обжатием 8 = 22 %, материал прутка получается достаточно однородным без какого-либо присутствия пор или несплошностей (рис. 5).
а б а б
Рис. 5. Микроструктуры прутков диаметром 7 мм в продольном (а) и поперечном (б) направлениях после осуществления экструзии с использованием разных матриц и волочения с обжатием 22 %, х 160
При этом в результате протекания диффузионных процессов на границе между частицами стружки меди и цинка, на фотографиях структур можно различить как ярко выраженные чередующиеся медные и цинковые области, так и отдельные латунные участки, площадь которых заметно увеличивается при наложении дополнительных сдвиговых деформаций. В продольном сечении наблюдается устойчивое вытягивание зерен в направлении выдавливания, сопровождающееся образованием двойников, с более плотной упаковкой частиц на периферии прутка по сравнению с центром. Это связано с объективной некоторой неоднородностью распределения деформации, характерной как для операции горячей экструзии, так и для последующего холодного волочения. Проведение отжига на 0 6 мм интенсифицирует
образование ОС-твердого раствора цинка в меди, что выражается еще в большем появлении латунных областей с границами в виде мелких правильно ограненных кристалликов (рис. 6), а также способствует протеканию рекристаллизационных процессов, обеспечивающих частичное снятие наклепа и остаточных напряжений после холодной обработки.
Рис. 6. Микроструктура отожженного прутка диаметром 6 мм в продольном (а, х 320) и поперечном (б, х 800) направлениях после осуществления экструзии со скручиванием и волочения с обжатием 44 %
В зависимости от того, проводился или нет промежуточный отжиг, структурные составляющие тянутой проволоки диаметром 4 мм носят также свои особые характерные черты (рис. 7).
Без отжига
без скручивания
со скручиванием
без скручивания
а б
С промежуточным отжигом
со скручиванием
Рис. 7. Микроструктуры холоднотянутой проволоки диаметром 4 мм в продольном (а) и поперечном (б) направлениях, полученной из гладких и рифленых прутков без и с проведением промежуточного отжига, х 160
Обобщая все вышеизложенное, можно сделать следующие выводы. Проволока, изготовленная из стружковой смеси состава 90 % меди + 10 % цинка (по массе), имеет, как и следовало ожидать, более высокий уровень механических характеристик по сравнению с проволокой, полученной из одной стружки меди [5]. Превышение по временному сопротивлению разрыву, независимо от величины суммарного относительного обжатия, стабильно составляет 20-30 %, а по относительному удлинению изменяется с 2-2,5 раз при = 44 % и до 1,21,3 раза при = 61 %. Кроме того, значения ав стружковой проволоки превосходят при тех же степенях деформации уровень прочностных свойств холоднодеформированной продукции из латуни Л90 в среднем на 10-15 %, а значение 5 - уровень пластических свойств продукции - примерно на 30-50 %. При этом по прочности верхние пределы этого роста приходятся на проволоку, полученную по схеме с дополнительным скручиванием прутка при горячей экструзии, в то время как по пластичности эта зависимость в большей степени все-таки обратная. Заметим, что по данным, содержащимся в справочной литературе [3], прочностные характеристики холоднодеформированных изделий из компактной латуни Л90 превосходят указанные характеристики изделий из компактной меди в среднем на 20-25 %, а пластические характеристики выше у латуни Л90 в среднем на 15-20 %.
Список литературы
1. Биронт B.C., Аникина В.И., Загиров Н.Н. Материаловедение. Формирование структуры нового класса стружковых материалов. ГУЦМиЗ. Красноярск, 2005. 80 с.
2. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986. 280 с.
3. Медные сплавы. Марки, свойства, применение: Справочник / Ю.Н. Райков, Г.В. Ашихмин, В.П. Полухин, А.С. Гуляев. Под общей ред. Ю.Н. Райкова. М.: ОАО «Институт Цветметобработка», 2011. 456 с.
4. Брабец В.И. Проволока из тяжелых цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1984. 296 с.
5. Загиров Н.Н., Сидельников С.Б. Получение изделий и полуфабрикатов на основе переработки сыпучих отходов меди и ее сплавов // Материалы междунар. НПК «Особенности обработки и применения изделий из тяжелых цветных металлов». Екатеринбург: УрО РАН, 2006. С. 240-250.
References
1. Biront V.S., Anikina V.I., Zagirov N.N. Materials science. Forming of structure of a new class chipping materials. GUTCMiZ. Krasnoyarsk, 2005. 80 p.
2. Karakozov E.S. Welding of metals by pressure. M.: Machine building, 1986. 280 p.
3. Copper alloys. Brands, properties, application: Reference book / Yu.N. Raikov, G.V. Ashi-hmin, V.P. Poluhin, A.S. Gulyaev. Under general edition Yu.N. Raikova. M.: JSC «Institut Tcvet-metobrabotka», 2011. 456 p.
4. Brabetc V.I. Wire from heavy non-ferrous metals and alloys. M.: Metallugry, 1984. 296 p.
5. Zagirov N.N., Sidelnikov S.B. Product receipt and semifinished products on the basis of conversion of loose waste of copper and its alloys // Materials of intern. NPK «Features of handling and application of products from heavy non-ferrous metals». Ekaterinburg: UrB RAS, 2006. P. 240250.
