CC BY
107
ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 621.771
Платов С.И., Терских Д.С.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ АРМАТУРНОЙ ПРОВОЛОКИ ПУТЕМ ОТПУСКА ПОД НАТЯЖЕНИЕМ
Важнейшим свойством арматурных элементов, напрягаемых бетон, является их длительная прочность. В результате напряженного состояния стальной проволоки в железобетонных конструкциях в течение ряда лет происходит снижение усилия натяжения вследствие перехода некоторой доли упругой деформации в пластическую. Происходит процесс, именуемый релаксацией напряжений. Так, в холоднотянутой проволоке снижение усилия исходной нагрузки 0,7 св (св-техническая прочность) после 1000 ч при 20оС составляет 9-11%, что практически недопустимо для армирования бетона. Для снятия остаточных макронапряжений от волочения и повышения структурной стабилизации до настоящего времени используется дополнительный отпуск проволоки в расплавах солей или свинца при 380-400 °С на проходных агрегатах. Релаксация напряжений в результате снижается до 58%. Однако этот процесс уходит в прошлое. В настоящее время все шире используется отпуск под натяжением, после которого релаксация напряжений составляет 1-3%. Одновременно при этом повышается предел текучести до значений с0 2 >0,9 св, что позволяет применять более высокие натяжения и экономить металл в объеме от 7 до 12% [1,2].
На Белорецком металлургическом комбинате в плане технического развития запущена линия отпуска под натяжением итальянской фирмы «ОСЯ». Принципиальная схема линии показана на рис. 1. Натяже-
ние создается кабестаном с 2-мя парами вытяжных барабанов диаметрами по 3 м за счет их разности скоростей от электропривода. Нагрев осуществляется в индукционной печи, расположенной между ними.
Установка обеспечивает плавную регулировку скорости обработки до 400 м/мин с сохранением заданных температуры нагрева и усилия натяжения. При этом устраняются экологические проблемы, связанные с очисткой промывных вод, присущих устаревшим агрегатам отпуска в расплавах солей. За счет действия противонатяжения достаточно просто решается вопрос с прямолинейностью арматурной проволоки как одного из требований стандартов.
С учетом требований заказчика режим натяжения можно создавать как в варианте обычного отпуска при низких натяжениях (0,2-0,3) св, так и в варианте стабилизации при высоких натяжениях, порядка (0,35-0,6) св.
На примере обработки арматурной круглой (не профилированной) проволоки диаметром 5 мм в табл. 1 и 2 показано изменение свойств при различных температурах и натяжениях. Проволока изготавливалась путем волочения (на прямоточном стане) сорбитизиро-ванной катанки диаметром 9 мм с использованием углеродистой стали с 0,82% С и 0,7% Мп. Проволока имела средние значения: св-=1780 Н/мм2, удлинение на базе 100 мм, 5100=5,6%.
Рис. 1. Схема линии стабилизации арматурной проволоки диаметрами 4-8 мм фирмы «СОР»:
1 - размоточное устройство с диаметром фланца 1400 мм (емкость 5 т); 2 - турецкая головка для профилирования по ГОСТ 7348-81 и Е1\1-10138; 3 - рихтовальноеустройство с роликами в 4-х плоскостях (9+9+9+9); 4 и 8 - кабестан с 2-мя парами барабанов диаметрами 3 мс электроприводом 325 кВт; 5 - колесо-датчик нагрузки на привод кабестана; 6 - подвижная индукционная печь из 2-х секций (частота 6-8 кГц), мощность 450 кВт; 7 - устройство для охлаждения водой и сушки воздухом; 9 - вытяжное устройство с 3-мя парами обрезиненных роликов; 10 -устройство для нанесения антикоррозионных покрытий; 11 - летучие ножницы; 12 - намоточное устройство
непрерывного съема проволоки в моток весом до 2,5 т
Таблица 1
Изменение свойств проволоки диаметром 5 мм оттемпературы нагрева налинии отпуска под натяжением (при 1100 кг)
Температура, °С СТвСр, Н/мм2 А ств, Н/мм2 бш, %
20 1780 0 5,6
370 1886 106 4,8
380 1865 85 5,0
400 1811 31 5,4
420 1765 -15 5,2
Из приведенных данных видно (см. табл. 1), что прочность проволоки за счет протекания процесса старения при нагреве до 370 С возрастает в среднем на 106 Н/мм2, а при нагреве до 380 С - на 85 Н/мм2. При нагреве до 400-420° С начинается процесс разупрочнения за счет развития диффузионных процессов отпуска. Следует отметить, что указанное изменение свойств происходит не зависимо от усилия натяжения. В то же время (см. табл. 2) от натяжения (Рн) заметно повышается отношение Рн/Рв, ( Р0 2 - усилие предела текучести). Предел текучести приближается к пределу прочности и при натяжениях порядка 35-40% он составляет с02 > 0,9 св.. В качестве оптимального по опыту принимается с0 2=(0,92-0,95)св.
Предел текучести является лишь косвенным показателем стабилизации. Основным является величина остаточной деформации при растяжении. В работе [3] на образцах показано, что оптимальное удлинение находится в пределах 1,0-2,5%. Это вполне согласуется с данными ф. «СошегееЪ) (1-3%) [1].
Таблица 2
Свойства в зависимости от натяжения (Рн) к разрывному усилию (Рв) при нагреве до 380°С
Рн, кг Рн/Рв, % йф, мм Д{, % Рс,2/Рв, % Прямолинейность (нет-да)
0 - 5,01 0 0,884 нет
500 14,5 5,00 0,4 0,892 нет
1100 32,3 4,99 0,8 0,915 да
1200 35,2 4,98 1,01 0,923 да
1400 41,3 4,96 2,0 0,942 да
Примечание. Эф - фактический диаметр (измерение многократно цифро-вым микрометром); Д£-расчетное остаточное удлинение по утонению диаметра.
На практике за оптимальную деформацию обычно принимается 2%. При остаточном растяжении более 3% Оо,2= (0,96-0,98) св и падает удлинение (5юо=0-1,5%). Проволока охрупчивается и теряет пластические свойства. Вполне очевидно, что при деформациях менее 1% не происходит в полной мере снятие остаточных напряжений, возникаюшцх при волочении.
О протекании процесса стабилизации свидетельствует диаграмма растяжения, представленная на рис. 2. Диаграмма записана на разрывном прессе « Іпєрек -500» ф.Hegewald & РеєсИке со скоростью 15 м/мин.
Площадка текучести свидетельствует, с одной стороны, о протекании старения на линии стабилизации, с
другой стороны, видно, что деформация происходит с большим равномерным удлинением вначале на площадке текучести вследствие безбарьерного скольжения и далее с малым упрочнением до разрушения.
я
1 20 И |:
А
1 2 Л А 5 6
Удлинение, %
Рис. 2. Диаграмма растяжения круглой проволоки диаметром 5 мм: 1 - холоднотянутой; 2 - стабилизированной
Схема изменения аналогична поведению отожженной стали. Это позволяет сделать вывод о снятии не только макронапряжений, но и снижении микронапряжений за счет, как показано в работе [4], образования упорядоченных дислокационных конфигураций в ферритной матрице.
В качестве оптимальной температуры принимается 380°С, при более низких температурах сказывается отрицательное влияние эффекта старения на снижение пластических свойств [3], а при более высоких температурах возникают потери прочности материала (см. табл. 1).
Важно отметить, что при скоростном индукционном нагреве старение успевает пройти благодаря протеканию динамического деформационного старения, которое возникает при теплой деформации [4]. В отличие от статического старения, которое происходит при комнатной или относительно низких температурах (100-200°С) в течение большого времени, динамическое старение при 380-400°С активировано, с одной стороны, большой интенсивностью генерирования свежих дислокаций от деформации растяжения, а, с другой стороны, увеличением подвижности примесей внедрения (С, К), динамично взаимодействующих с ними. Динамическое старение проходит кратковременно, за доли секунды, и обычно заканчивается образованием атмосфер или сегрегаций на дислокациях. При статическом старении этот процесс заканчивается образованием мелкодисперсных выделений на дислокациях, что вносит охруп-чивающий эффект в изменении свойств [4].
Для масштабной оценки свойств после обработки на линии (в режиме отпуска при натяжении 1100 кг) в табл. 3 показаны средние результаты большой выборки данных. Видно, что прочность проволоки возрастает на 102 Н/мм2 и находится на уровне 1789 Н/мм. При этом число гибов до разрушения по ГОСТ 1579-93 снижаются с 11 до 7 ед., а удлинение (5і00) практически сохраняется на высоком уровне - 5,8%. В результате при повышении прочности проволока имеет достаточно высокий уровень пластических свойств, что объясняется вышеуказанной спецификой динамического старения.
Таблица 3
Свойства круглой проволоки диаметром 5 мм после волочения и отпуска на линии стабилизации
Объем выборки После волочения После отпуска
Ств, Н/мм2 Число гибов СТв, Н/мм2 5іоо, % Число гибов
534 1687 11 1789 5,8 7
Основной объем арматурной проволоки для увеличения адгезии с бетоном производится в профилированном состоянии. На рис. 3 показан профиль с 2сторонними вмятинами по отечественному стандарту ГОСТ 7348-81. В европейских странах по стандарту БЫ 10138 широко используется профиль с 3-сторонними вмятинами (рис. 4). В результате возникновения при профилировании сложного напряженного состояния натяжение проволоки с целью достижения прямолинейности и механических свойств аналогичных для круглой проволоки необходимо повышать по опыту на 10-15%.
Рис. 3. Форма 2-стороннего профиля номинального диаметра 5 мм: глубина вмятин И не менее 0,24 мм, шаг А=6,5 мм
е
Рис. 4. Форма 3-стороннего профиля номинального диаметра 5 мм: а=0,06-0,13 мм, €=3,5 мм и с=5,5 мм
Из сравнения профилей видно, что если глубина вмятин от диаметра в 2-стороннем профиле составляет более 10%, то в 3-стороннем профиле она не превышает 3% при более однородной деформации. Сам характер «расплющивания» (при свободном ушире-нии) в 2-стороннем профиле вносит более значительную неоднородность деформации. Поэтому все попытки внедрить режим стабилизации для этого профиля были безуспешны. Происходило растрескивание и частые обрывы проволоки (0,7-1,0 обр./т). При его использовании была внедрена технология изготовлении проволоки по ГОСТ 7348-81 с применением только обычного отпуска, без требования по релаксационной стойкости: нагрев до 380 С, натяжение 0,20,3 от разрывного усилия.
При использовании 3-стороннего профиля обрывность в режиме стабилизации исчезает, что позволило организовать производство стабилизированной про-
волоки. К примеру, с учетом потребности внешнего рынка было освоено производство стабилизированной проволоки диаметром 5 мм по венгерскому стандарту МБ2 5720 с 3-сторонним профилем по БМ 10138. В табл. 4 приведены свойства партии готовой проволоки.
Таблица 4
Свойства арматурной проволоки диаметром 5 мм по стандарту МБ7 5720 с 3-сторонним профилем
Показатели СТв, Н/мм2 №, Н/мм2 5ю0, % Число гибов Вмятины, мм Вес, г/м
Норма >1770 >1450 >3,5 >4,0 0,03-0,16 (±0,03) 150,9- 160,1
N 148 148 148 148 148 12
Мин. 1770 1620 4 4 0,06 152
Макс. 1910 1775 7 8 0,20 158
140 155 3 4 0,14 6
Хер. 1835 1717 5,8 5,1 0,11 154,6
Б 28,3 27,2 0,72 0,98 0,02 1,87
Удовл. норм 0,99 1 1 1 0,99 0,98
Релаксация напряжений, замеренная на 2-х образцах, составила 1,5% (по норме не более 2,5%). Испытания проводились на приборе «1шрек-400» при нагрузке 0,7св по стандартной методике в течение 1000 ч.
Следует отметить, что при установке режима стабилизации необходимо учитывать вытяжку от профилирования, которая находится обычно в пределах 2,5-4,0% в зависимости от деформации глубины вмятин. Поэтому в расчет исходного диаметра (конечного после волочения) помимо увеличения диаметра на стабилизацию (2%) следует учитывать и удлинение при профилировании. Так, для вышеуказанного 3-стороннего профиля исходный диаметр равен 5,13±0,02 мм или близок к нему. Конечный (номинальный) диаметр готовой профильной проволоки после стабилизации контролируется весом погонного метра и нормируется в стандартах (в частности, для диаметра 5 мм он равен 154 г/м).
Таким образом, исследованиями на промышленной установке отпуска под натяжением установлено, что оптимальная деформация растяжением для условий стабилизации должна быть -2%, а температура нагрева 380°С. При этом предел текучести (для контроля) с02 >0,9 св,
Показано, что в результате протекания при обработке динамического деформационного старения в проволоке сохраняется высокий уровень пластических свойств при повышении прочности.
Из опыта работы отражено, что 2-сторонний профиль с глубокими вмятинами по отечественному стандарту ГОСТ 7348-81 из-за частых обрывов не пригоден для обработки в режиме стабилизации. Это необходимо учитывать в производственной практике. Изготовление стабилизированной проволоки достигается применением, в частности, 3-стороннего профиля по европейскому стандарту БМ 10138.
Список литературы
1. Отчет по командировке советских специалистов в Англию / ВНИИМЕ-ТИЗ. Магнитогорск, 1972.
2. Кулеша В.А. и др. Изготовление высококачественных метизов: монография. Белорецк,1999. С. 106-116.
3. Терских Д.С. Некоторые вопросы стабилизации артурной проволоки // Сб. материалов науч.-техн. конференции. Белорецк, 2006. Вып. 2. С. 29-30.
4. Бабич В.К., Гуль Ю.П., Долженков И.Е. Деформационное старение стали. М.: Металлургия, 1977. 320 с.
Bibliography
1. Report on the mission of Soviet specialists in England. / VNIIMETIZ. Magnitogorsk, 1972.
2. Kulesza, V.A etc. Making high-quality hardware / / of collective monograph. Beloretsk, 1999. P. 106-116.
3. Terskikh D.S Some questions stabilization reinforcement wire.: Sat. Materials Science and Engineering Conference Bauman in Belorezk. 2006. issue 2. P. 29-30.
4. V.K Babich, J.P Hull, Dolzhenkov I.E Strain aging of steel. Moscow: Metallurgiya, 1977. 320.
УДК 621.733
Мезин И.Ю., Чукин В.В.
АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ИСХОДНОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛЬНОЙ АРМАТУРЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ*
Технологии производства железобетонных шпал (ЖБШ) нового поколения ориентированы на существенное сокращение металлоемкости конструкций, снижение трудоемкости и энергетических затрат за счет перехода к схемам укрупненного армирования. При таком армировании используются 4 армирующих стальных стержня диаметром до 10,0 мм вместо 44 проволок диаметром 3,0 мм, что предопределяет ужесточение требований к показателям качества арматурной стали [1].
Основными нормируемыми параметрами высокопрочной арматуры, как готового изделия, являются механические свойства, длительная прочность, уровень потерь напряжения от релаксации, стойкость к коррозионному растрескиванию, уровень сцепления с бетоном, а также геометрические параметры, определяющие конструктивные особенности профиля [2-6].
Требования по механическим свойствам готовой арматуры следующие:
- временное сопротивление разрыву должно быть не менее 1600 МПа;
- условный предел текучести должен быть не менее 1450 МПа;
- относительное удлинение при разрыве должно быть не менее 6,0%;
- количество знакопеременных изгибов на 90° на оправке диаметром 100 мм должно быть не менее 3 раз;
- модуль упругости арматурной стали должен быть не менее 2,0*105Н/мм2.
Основными вопросами, требующими решения при разработке технологии изготовления арматурной стали, является поиск способов, обеспечивающих получение необходимого периодического профиля на поверхности арматуры, а также разработка эффективных методов упрочнения металла для формирования регламентированного уровня его механических свойств [7].
Анализ способов формирования механических свойств высокоуглеродистой катанки диаметром более 15 мм для производства высокопрочной арматуры
Экономически и технически обоснованными технологическими вариантами достижения высокопрочного состояния арматуры являются: термомеханическое упрочнение в потоке прокатного стана при горячей прокатке, применение закалки с отпуском с отдельного нагрева, а также методы холодной пластической деформации. Наиболее перспективными на сегодняшний день являются технологии, основанные на деформационном упрочнении в сочетании с финишной механотермической обработкой конечного изделия. Общепринятая технология производства стальной высокопрочной арматуры периодического профиля диаметром 9,6 мм представлена в виде обобщенной технологической схемы на рис. 1. Требуемый уровень прочности изделия в этом случае достигается варьированием диаметра и прочностных характеристик исходной заготовки.
В соответствии с принятой последовательностью технологических операций, основным способом формирования необходимых прочностных характеристик исходной заготовки является процесс обработки катанки в потоке прокатного стана с использованием тепла нагрева металла под горячую прокатку. На получение требуемых свойств при таком упрочнении исходной заготовки существенное влияние оказывают следующие основные факторы: температурно-временные характеристики прокатки, термообработки и охлаждения; химический состав стали; диаметр прутка. Указанные факторы формируют параметры технологии упрочнения, которая для каждой конкретной марки стали определяет конечное структурное состояние, а следовательно, и ее механические свойства [8].
^Работа выполнена в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 13.G25.31.0061).
