CC BY
20Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(7), 842-851
yflK 621.777
Manufacturing Technology of Aluminium Wire from Alloy 01417 with Adjusted Level of Mechanical Properties
Yuriy V. Gorokhov, Viktor N. Timofeev, Mikhail V. Pervukhin, Vasiliy I. Belokopytov, Mikhail M. Motkov*, Naydan B. Erdineev, Ivan S. Kosyachenko, Oksana Ya. Yakunina and Alexey S. Strigin
Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
Received 25.09.2019, received in revised form 11.10.2019, accepted 01.11.2019
In the 70s of the last century, Soviet scientists developed an aluminum alloy with 7% rare earth elements (REE), which at melt cooling speeds of up to 104 deg/s are dispersed into intermetallic phases, which significantly increase the heat resistance, corrosion resistance, and weldability of finished products for conductive material. To ensure melt cooling rates of up to 104 deg/s in those years, centrifugation of granules in water was used. To increase the efficiency of this redistribution, a pilot industrial line was used for continuous pellet pressing by the Conform method. A method has been developed for producing small-section billets (& 8-12 mm) with a crushed structure from Al-REM system alloys by continuous casting in electromagnetic crystallizer (EMC) mounted at Magnetic Hydrodynamics Scientific and Production Center LLC. In this method of casting, a dispersed structure is obtained with a slight intra-dendritic segregation, which guarantees a high level of mechanical properties. A series of experiments was carried out on continuous pressing at the Conform installation of a batch of & 12 mm rod and drawing it to & 0.5 mm wire without annealing. To predict the properties of the wire that meet the requirements of TU 1-809-1038-2018, an experimental plan has been drawn up and implemented to determine the dependence of mechanical properties on the exposure time (t) and the annealing temperature (t) of the wire. As a result ofprocessing the experimental data, regression equations were obtained and graphs of the dependence temporary tensile strength (oe) and relative elongation (8) on the temperature and holding time, which can be used when annealing & 0.5 mm wire from 01417 alloy to obtain the required mechanical properties.
Keywords: alloy 01417, electromagnetic crystallizer, aircraft side wires, melt granulation.
Citation: Gorokhov Yu.V., Timofeev V.N., Pervukhin M.V., Belokopytov V.I., Motkov M.M., Erdineev N.B., Kosyachenko I.S., Yakunina O.Ya., Strigin A.S. Manufacturing technology of aluminium wire from alloy 01417 with adjusted level of mechanical properties, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2019, 12(7), 842-851. DOI: 10.17516/1999-494X-0184.
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: [email protected]
Технология изготовления проволоки из сплава 01417 с заданным уровнем механических свойств
Ю.В. Горохов, В.Н. Тимофеев, М.В. Первухин, В.И. Белокопытов, М.М. Мотков, Н.Б. Эрдынеев, И.С. Косяченко, О.Я. Якунина, А.С. Стригин
Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
В 70-е годы прошлого столетия отечественными исследователями был разработан сплав алюминия с 7 % редкоземельных элементов (РЗМ), которые при скоростях охлаждения расплава до 104 град/с диспергируются в интерметаллидные фазы, значительно повышающие жаропрочность, коррозионную стойкость и свариваемость готовых полуфабрикатов для проводникового материала. Для обеспечения скоростей охлаждения расплава до 104 град/с в те годы применялось центрифугирование гранул в воду. Для повышения эффективности этого передела была применена опытно-промышленная линия для непрерывного прессования гранул методом Конформ. Разработан способ получения из сплавов системы А1-РЗМ заготовок малого сечения с измельченной структурой путем непрерывного литья прутковых заготовок малых сечений (08-12 мм) в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК), смонтированный в ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики», при этом достигается получение дисперсной структуры с незначительной внутридендритной ликвацией, гарантирующей высокий уровень механических свойств. Проведена серия опытов по непрерывному прессованию на установке Конформ партии отлитого в ЭМК прутка 012 мм и его волочения на проволоку 00.5 мм без отжигов. Для прогнозирования свойств проволоки, соответствующих требованиям ТУ 1-809-1038-2018, составлен и реализован план эксперимента по определению зависимости механических свойств от времени (т) выдержки и температуры ф отжига проволоки В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии и построены графики зависимости временного сопротивления разрыву (ов) и относительного удлинения (8) от температуры и времени выдержки, которые можно использовать при отжиге проволоки 00,5 мм из сплава 01417 для получения требуемых механических свойств.
Ключевые слова: сплав 01417, электромагнитный кристаллизатор, бортовые провода самолетов, гранулирование расплава.
Введение
В 70-е годы прошлого столетия отечественными исследователями был разработан сплав алюминия с 7 % редкоземельных элементов (РЗМ), которые при скоростях охлаждения расплава до 104 град/с диспергируются в интерметаллидные фазы, значительно повышающие жаропрочность, коррозионную стойкость и свариваемость готовых полуфабрикатов для проводникового материала. Благодаря этому сплав применяется для изготовления бортовых проводов самолетов, работающих при температурах от минус 50 до 250 °С взамен проводов с медной жилой [1].
Технология получения проволоки из гранулированного расплава
Для обеспечения скоростей охлаждения расплава до 104 град/с вначале применялось центрифугирование гранул в воду [1]. Технологическая схема производства проволоки из гранульного материала представлена на рис. 1. Узким местом этой схемы является получение из гранул
прессованного прутка для дальнейшего волочения проволоки. Этот передел состоит из получения брикета штамповкой гильзы, заполненной гранулами, его обточки и прессования, что требовало значительныхтрудозатрат. Приэтом отходы металлавстружкуивпресс-остаток составляли ЗК-4И %.
Для повышения эффективности производства проволоки была спроектирована опытно-промышленная линия длянепрерывногопрессованияметодомКонформпрутка диаметром 9 мм, смонтированндяна кчасткеграчтлированияцеха № 8 ЦраМКа (л^ис^. И). Привод колеса диаметром 400 мй цтрыоецаидалачой колыквойканавсойпоперачным сеасннымЗ50 мм [2] осуществляокя двичаьаоем аосоояянааооока цощно станы 75кВч чеонз цтлиндричоский редуктор с крутящимыооыаенткм нц яссаодном цалу ран ДляпадачринаннлвручеНколеса ис-пользовалообрнкср. Скодоста врадениноолесаочставляла 10-12об/мчн, при этом температура металла в розоолялоыеочи щюцеьенапр ерывного
Гранулиреваиие
~ >
Нушаа
__
Деггиеам
__ \/
уделение оеисаов ерикети]ооеанае
_в_ПН_
Обтачиваии с брикееа
~\е _ Экструзия
Волочение
Термообработка
Рис. РТехноаогичесвпосхемо получения проволоки из гранул Fig.l.Technologicalschemeforproducingwirefromgranules
Рис. 2. Установка КонПсрм научасткепоисготовлориво прутпгс исгранулированных алюминиевых сплавов
Fig. 2. Conform installation atthe siteforthe productionofbarsfrom aranularaSuminamalioys
прессования без предварительного нагрева гранул. Установка снабжена системой принудительного охлаждения рабочего колеса и башмака проточной водой. Отпрессованный пруток поступал на моталку для смотки в бухту [3].
Внедрение в производство установки непрерывного прессования гранул позволило значительно повысить технико-экономические показатели процесса изготовления прутка: производительность, выход годного и т.д., и уменьшить его себестоимость в 5-6 раз.
Однако волочение из прессованного прутка проволоки малого диаметра, необходимой для производства бортовых проводов, проходило с периодическими обрывами из-за наличия внутренних дефектов заготовки, связанных с наследственным влиянием поверхностей гранул [4].
Технология получения проволоки из заготовок малого сечения с измельченной структурой
Для получения из сплавов системы А1-РЗМ заготовок малого сечения с измельченной структурой, которые были бы свободны от недостатков материалов, получаемых методами гранульной технологии, предложено использование непрерывного литья прутковых заготовок малых сечений в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК) [5], смонтированный в ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики». Литьем длинномерных прутков малого сечения (08-12 мм) из сплава 01417 в ЭМК достигается получение дисперсной структуры с незначительной внутри-дендритной ликвацией, гарантирующей высокий уровень механических свойств [6].
При волочении из них проволоки на предприятиях ООО «Авиаль», АО ««Электрокабель» Кольчугинский завод» и ООО «Альянс 2008» было установлено, что без предварительного гомогенизирующего отжига волочение слитков сплава 01417 даже с небольшой степенью дендритной ликвации затруднено.
В лабораторных условиях был подобран режим гомогенизационного отжига слитков (550 °С, время выдержки 4-5 ч), после которого на месте бывших эвтектических колоний в результате вырождения эвтектики образовались скопления дисперсных алюминидов РЗМ. В результате была устранена внутрикристаллитная ликвация и понижен уровень внутренних напряжений в металле, что обеспечило условия для получения проволоки 00,5 мм по технологической схеме, представленной в табл. 1.
В заготовке, полученной литьем в ЭМК, наблюдается неравномерность размеров поперечного сечения, что является причиной обрывов на первом переходе, а при волочении на 00,5 мм применяется три промежуточных отжига в сочетании с гомогенизацией заготовки.
На поставку проволоки для проводов выпущено техническое условие ТУ 1-809-1038-96. В соответствии с ним временное сопротивление разрыву в отожженном состоянии должно составлять не менее 157 МПа, в нагартованном состоянии - не менее 196 МПа, относительное удлинение не менее 8 и не менее 5 % соответственно. Результаты испытания механических свойств готовой проволоки показали, что их уровень не всегда соответствует этим требованиям.
Технология получения проволоки с применением непрерывного прессования прутковой заготовки
Из анализа вышеприведенных технологических схем следует, что для устранения присущих им недостатков целесообразно при производстве проволоки из алюминиевого сплава
Таблица 1. Технологическая схема изготовления проволоки 00,5 мм из заготовки, полученной литьем в электромагнитный кристаллизатор
Table 1. Technological scheme for the manufacture of wire 00,5 mm from a workpiece obtained by casting in an electromagnetic mold
Сплав 01417 Степень деформации, %
Гомогенизация заготовки Тгом 550 °С, охлаждение медленное с печью, далее на воздухе. Выход на режим 3-4 ч, по закладной термопаре, выдержка 5 ч
Волочение 12—>10,9—>10,0—>9,0—>8,0—>7,0—>6,0—>5,0 82,6
Отжиг Тотж 420 °С, охлаждение на воздухе. Выход на режим 4 ч, выдержка 1 ч
Волочение 5,0—4,45—4,0—3,6—3,0—2,6—2,25—2,0 84,0
Отжиг Тотж 420 °С, охлаждение на воздухе. Выход на режим 4 ч, выдержка 1 ч
Волочение 2,0—1,8—1,6—1,4—1,2—1,0 75,0
Отжиг Тотж 420 °С, охлаждение на воздухе. Выход на режим 4 ч, выдержка 1 ч
Волочение 1,0—0,9—0,8—0,73—0,66—0,59—0,54—0,5 75,0
Отжиг
01417 применить схему, включающую литье в ЭМК заготовки и ее непрерывное прессование на установке Конформ.
Для проведения серии экспериментов по исследованию режимов непрерывного прессования отлитого в ЭМК прутка 012 мм для волочения проволоки 05 мм использовалась установка [7], смонтированная в лаборатории ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики». Прессовый узел и технические характеристики установки приведены на рис. 3 и в табл. 2.
Методика проведения экспериментов и полученные результаты по исследованию режимов непрерывного прессования прутка 012 мм подробно описаны в работах [8, 9].
Рис. 3. Опытная установ ка Конформ СЮО«НПЦМагнитнойги дродинамики»[7] Fig. 3. Pilot installati onofC onfor mLLC"SPCof Magneti cHydrodynam ics"[7]
Таблица 2. Технические характеристики опытной установки Конформ Table 2. Specifications pilot plant Conform
Параметры Единицы измерения Значения
Радиус колеса по дну калибра мм 136
Мощность электродвигателя кВт 22
Момент на выходном валу Н-м 24910
Частота вращения выходного вала об/мин 8
Литье в ЭМК
Рис. 4. Технологическаясхема полученияпроволокиизсплава 01417 Fig. 4. Technologicalschemeforproducingwirefrom alloy 01417
В дальнейшем отпрессованную заготовку без гомогенизации подвергали волочению на 00,5 мм в условиях ООО «Альянс 2008» за 19 проходов без промежуточных отжигов проволоки. Технологическая схема изготовления проволоки, включающая литье прутка в ЭМК, непрерывное прессование на опытной установке Конформ и волочение, показана на рис. 4.
Следует заметить, что в этой схеме отсутствует отжиг отпрессованного прутка перед волочением.
Эксперименты по исследованию режимов отжига проволоки
Для обеспечения свойств проволоки 00,5 мм, полученной по указанной схеме, соответствующих требованиям ТУ-1-809-1038-2018, можно использовать два варианта. Первый - перед заключительными проходами волочения проволоки провести промежуточный отжиг с последующим упрочнением таким образом, чтобы временное сопротивление разрыву и относительное удлинение находились в пределах нормы для нагартованного состояния. Второй - выявить режимы финишного отжига на 00,5 мм, при которых временное сопротивление разрыву и относительное удлинение находились бы в пределах нормы для нагартованного и отожженного состояний.
Очевидно, что второй вариант предпочтительнее первого. Поэтому проведена серия опытов для построения регрессионной модели зависимости временного сопротивления разрыву (св) и относительного удлинения (5) от времени (т) выдержки и температуры (t) отжига прово- 847 -
Таблица 3. Условия экс перимента Table 3. Experimental co nditions
Уровень фактора t, °С т, мин.
Основной Xi = 0 500 60
Интервал варьирования Axi 54 20
Нижний Xi = -1 4550 40
Верхний Xi = +1 550 80
Кодовые обозначения X1 X2
Таблица 4. План эксперимента ав = ав(Г, т) Table 4. ExperimentPlanc>B = а„(Г,т)
Номер опыта xX Л4Х2 Параллельные опыты ав, МПа yJ
У1 У2 Уз
1 + + + 210 210 215 211.7 8.3 211.7 0.00
2 - - + 221 212 208 213.7 44.3 213.7 0.00
3 + - - 171 175 171 172.3 5.3 172.3 0.00
4 - + - 203 204 203 203.3 0.3 203.3 0.00
X 58.3
5 0 0 0 199 202 201 200.7 2.3 200.3 0.17
локи после волочения на 00,5 мм. Результатыпредварительных опытов позволили определить интервалы варьирования этих факторов: ^ = 450 - 550 °С; л = 40 - 80 вин.
В табл. 3 приведены интервалы варьирования для проведтния опытов для составления матрицы полтюго факторного экс=еримента.
Временное сопрртирлендеразрыву отояркенных образцов опркделялн в еоотвееетвии с ГОСТ 1(З^П-Р<5 на машине LFM-100 в соответствии с ГОСТ 10446. Полученные результаты занесены в табл. 4.
Рмзульт аты обраМотке экспериментальных данных
В результате обработкипостандартнойметодике[10]данных табл.М полноеноуаавнение регрессии:
у = 500,55 - 8,5ИХх + 05,°5Х5 + Р,5ИХо, которое при перт ходе откодированныхзначенийфакторовкнатуральнымпринимает вид
„„^ - Т==^ ^„/т-6= ) (- Т== Ут-6= ст в = 5==,5Т - 8,5Т|-I +15,05-I + 7,5Т 11
50 J \ 20 J { 50 00 20 = 462,99 - 0,6/ - 3,00041 5 • т + 0,00725 • t • т.
Аналогичным образомполученоуравнение регрессии,показывающее зависимостьотно-сительного удлинения (5) от времени (т) выдержки и температуры (!) отжига проволоки.
* = 9,65 +1,25|' 1-5201 - 2/1-6«1 + 2,13эГ'" 500 ^Т- 60
50 ) \ 20 ) \ 50 А 20 = 67,89 - 0,1022/ -1,1735 • т + 0,00211 • / • т .
По экспериментальным и рассчитанным по уравнениям регрессии данным на рис. 5 построен график зависимости временного сопротивления разрыву (св) и относительного удлинения (5) проволоки 00,5 мм от температуры и времени выдержки отжига.
На графиках рис. 5 видно, что расхождение теоретических и экспериментальных данных составляет не более 5 %. На основании этого делаем вывод, что уравнения регрессии можно использовать для прогнозирования свойств проволоки при финишном отжиге. Результаты исследования можно рекомендовать для промышленного использования при изготовлении проволоки из сплава01417, соотве тствующей требованиямТУ 1-809-1038-2018.
Заключение
1. На о сновании анализа технологических схем получения проволоки из гранулированных с плавов выхолено, чоо плиэтс м тре буется большое количество технологических переделов,т волбчаниепровдлакималогоынаметрапеатабилвновслопеыаие периодических обрывов ие-зч вну тренних дефвчтов, твтзанных с наслео-вырнным алиптиеи поверхностей гра нувт.
320 14
210 ___- jo
200
у ' и
in
s 1ВД jr /
[O
° 170
10
ISO
ISO s
140 0
31
43
10 Время выдержим, мин м
-ста расч. при 450'С -сгв расч при 550'-'С
- • — сув экси при 45(>:'С - * - он жсп при 550'С
-<тв расч при 500'С -б расч при 450,:,С
-б расч яри 550:'С -8 -же при 450 С
- + -Й же при 550 С -£ расч при 500 "С i
Рис. 5. Графикзависимо стивременнососопротивоенияразрывуСав)иотноснтельного удлииения (5) от температуры и временивыдержкипроволоки 00,5 ммприотжиге
Fig. 5. Graph of the dependence of the temporary tensile strength (ав) and elongation (5) on the temperature and the exposure timeofthe wire0O.5mmduringannealing
2. Проанализирован способ получения проволоки из заготовки, полученной методом литья в электромагнитный кристаллизатор. Пруток 012 мм имеет разнотолщинность по всей длине полуфабриката от 10 до 14 мм, что приводит к обрывам при волочении проволоки на первых проходах. При волочении проволоки 00,5 мм из прутковой заготовки 12 мм за 19 переходов требуется три промежуточных отжига, что увеличивает себестоимость продукции.
3. В результате использования математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии и построены графики зависимости временного сопротивления разрыву (св) и относительного удлинения (5) от температуры и времени выдержки, которые можно использовать при отжиге проволоки 00,5 мм из сплава 01417 для получения уровня механических свойств, требуемых нормами ТУ 1-809-1038-96.
Благодарности
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки и ООО «Научно-производственный центр магнитной гидродинамики» в рамках научного проекта N° 18-48-242023 «Исследование динамических характеристик турбулентных течений расплава при электромагнитной кристаллизации и влияния ее на структуру и свойства непрерывно-литых заготовок малого сечения из новых алюминиевых сплавов для производства тонкой проволоки авиационно-космического назначения».
Список литературы
[1] Горбунов Ю.А. Роль и перспективы редкоземельных металлов в развитии физико-механических характеристик и областей применения деформируемых алюминиевых сплавов. Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии, 2015, 8(7), 636645 [Gorbunov Yu.A. Role and prospects of rare-earth metals in the development of physical and mechanical characteristics and applications of deformable aluminum alloys. J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol, 2015, 8(7), 636-645 (in Russian)]
[2]. Северденко В.П., Шепельский Н.В., Горбунов Ю.А., Жилкин В.З. Прокатка гранул алюминиевых сплавов. Наука и техника, Минск, 1978, 216 с. [Severdenko V.P., Shepelsky N.V., Gorbunov Yu.A., Zhilkin V.Z. Pellet rolling of aluminum alloys. Science and Technology. Minsk, 1978, 216 p. (Russian)]
[3] Шеркунов В.Г., Горохов Ю.В., Константинов И.Л. и др. Использование способа Кон-форм для переработки стружки из алюминиевых сплавов. Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия, 2015, 3, 60-63 [Sherkunov V.G., Gorokhov Yu.V., Konstantinov I.L. and others. Using the Conform method for processing chips from aluminum alloys. News of higher educational institutions. Non-ferrous metallurgy, 2015, 3, 60-63 (in Russian)]
[4] Горохов Ю.В., Корнилов В.Н., Константинов И.Л. и др. Линия для непрерывного прессования электротехнической проволоки из вторичного алюминия. Новые материалы и технологии. Ч.1. Металлические материалы и методы их обработки. М.: МГАУ, 1994. С. 118. [Gorokhov Yu.V., Kornilov V.N., Konstantinov I.L. et al. Line for continuous extrusion of electrical wire from secondary aluminum. New materials and technologies. Part 1. Metallic materials and methods for their processing. M., MGAU, 1994. Р. 118 (in Russian)]
[5] Гецелев З.Н. и др. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор. М.: Металлургия, 1983. 152 с. [Getselev Z.N. Continuous casting in an electromagnetic mold. M.: Metallurgy, 1983. 152 p. (in Russian)]
[6] Стеценко В.Ю. Механизмы процесса кристаллизации металлов и сплавов. Литье и металлургия. БНТУ. Минск, 2013, 1, 48-54 [Stetsenko V.Yu. Mechanisms of the process of crystallization of metals and alloys. Casting and Metallurgy. BNTU, Minsk, 2013, 1, 48-54 (in Russian)]
[7] Горохов Ю.В., Тимофеев В.Н., Беляев С.В., Авдулов А.А., Усков И.В., Губанов И.Ю., Ав-дулова Ю.С., Иванов А.Г. Прессовый узел установки Conform для непрерывного прессования цветных металлов Изв. вузов. Цвет. металлургия, 2017, 4, 69-75 [Gorokhov Yu.V., Timofeev V.N., Belyaev S.V., Avdulov A.A., Uskov I.V., Gubanov I.Yu., Avdulova Yu.S., Ivanov A.G. The press unit of the Conform installation for continuous pressing of non-ferrous metals, Izv. universities. Color. Metallurgy, 2017, 4, 69-75 (in Russian)]
[8] Авдулов А.А., Сергеев Н.В., Гудков И.С., Тимофеев В.Н., Горохов Ю.В., Авдулова Ю.С. Разработка технологии производства проволоки из специальных алюминиевых сплавов на основе способа литья в электромагнитный кристаллизатор и непрерывного прессования способом Конформ. Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии, 2017, 10(1), 85-94 [Avdulov A.A., Sergeev N.V., Gudkov I.S., Timofeev V.N., Gorokhov Yu.V., Avdulova Yu.S. Development of technology for the production of wire from special aluminum alloys based on the method of casting in an electromagnetic mold and continuous pressing by the Conform method, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2017, 10(1), 85-94 (in Russian)]
[9] Горохов Ю.В., Тимофеев В.Н., Беляев С.В., Усков И.В., Губанов И.Ю., Гудков И.С. Прессование слитков из сплава 01417, полученных в электромагнитном кристаллизаторе на установке Сonform. Изв. вузов. Цвет. металлургия, 2018, 4, 53-59 [Gorokhov Yu.V., Timofeev V.N., Belyaev S.V., Uskov I.V., Gubanov I.Yu., Gudkov I.S. The pressing of ingots from alloy 01417 obtained in an electromagnetic crystallizer at a conform installation. Izv. universities. Color. Metallurgy, 2018, 4, 53-59 (in Russian)]
[10] Белокопытов В.И. Статистические методы управления качеством металлопродукции. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. 108 с. [Belokopytov V.I. Statistical methods of quality management of metal products. Krasnoyarsk, Sib. feder. un-t, 2011. 108 p. (in Russian)]
