CC BY
10
УДК 621.7
ВЛИЯНИЕ НЕМОНОТОННОЙ и квазимонотоннои деформации на структуру И СВОЙСТВА НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ БРОНЗЫ СИСТЕМЫ Си-Сг
© Р. Н. Асфандияров1'2*, Г. И. Рааб1, Д. А. Аксенов2,
Д. В. Гундеров1'2, Г. И. Заманова3
1Уфимский государственный авиационный технический университет Россия, Республика Башкортостан, 450008 г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.
2Институт физики молекул и кристаллов УФИЦ РАН Россия, Республика Башкортостан, 450075 г. Уфа, пр. Октября, 151.
3Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Тел.: +7 (927) 924 44 43.
*ЕтаИ: a.r.n@list.ru
В настоящее время активно развивается высокоскоростной железнодорожный транспорт, позволяющий увеличить объемы пассажирских и грузовых перевозок, а так же сократить время в пути, тем самым повысить комфорт пассажиров. Но в свою очередь увеличение скорости ведет к повышению механических нагрузок на контактные сети. Таким образом, необходимо повышение прочностных характеристик контактных сетей высокоскоростных железных дорог. Один из путей решения данной задачи - получение контактных проводов с ультрамелкозернистой структурой. В ряде работ показано, что на эффективность формирования ультрамелкозернистого состояния в металлах большое влияние оказывает степень немонотонности деформации. В работе исследована комбинированная обработка низколегированной бронзы системы Си-Сг, включающая ротационное обжатие, волочение и термообработку. А так же проведено сравнение метода ротационной ковки, с традиционным методом получения проводов - прокаткой. Для ротационного обжатия использовались бойки специальной формы, приводящие к увеличению немонотонности деформации. С целью дополнительного измельчения структуры в заготовках проводилось волочение. В ходе исследования проведены механические испытания на растяжение, структурный анализ методом растровой электронной микроскопии, анализ электропроводимости. В результате показано, что при одинаковом коэффициенте вытяжки (~1,2) размер структурных фрагментов в поперечном сечении после ротационной ковки значительно меньше, чем при прокатке. А так же установлено, что комбинированная обработка ротационной ковкой и последующим волочением до суммарной степени деформации е~3, в сочетании со старением позволяет повысить прочность сплава системы Си-Сг до 610 МПа.
Ключевые слова: ротационная ковка, термомеханическая обработка, низколегированная бронза, немонотонная деформация.
Введение
Одна из особенностей эксплуатации контактных проводов высокоскоростного железнодорожного транспорта заключается в том, что усилие натяжения в 2.5-2.7 раза выше, чем при обычных скоростях движения - необходимо для увеличения скорости распространения механической волны, при допустимом износе в 20% [1]. Исходя из этого, необходимо повышать прочностные характеристики катанки для производства данных проводов.
Известные традиционные методы - прокатка и волочение обладают некоторыми недостатками и не всегда позволяют достигать необходимого уровня эксплуатационных свойств.
При этом квазимонотонный характер деформации при больших коэффициентах вытяжки приводит к высокой анизотропии свойств и критическому снижению пластичности в продольном направлении.
К тому же большая дробность деформации влечет за собой и большие энерго-, металло-, трудозатраты.
В данной работе, в качестве альтернативного процесса исследован метод ротационной ковки. Метод ротационной ковки при определенных режимах можно рассматривать как один из способов интенсивной пластической деформации (ИПД) [7]. Воздействие ИПД на различные металлы и сплавы для повышения их свойств представляет большой научный и практический интерес [11-12]. Классическая ротационная ковка обладает рядом преимуществ, к ним относятся высокая производительность, высокий коэффициент использования металла, повышение прочностных характеристик, сравнительно низкое энергопотребление, высокие точность и качество изделий, возможность обработки длинномерных изделий, простота и быстрота переналадки инструмента, относительная универсальность инструмента. Важным является и то, что при ротационной ковке реализуется схема относительно равномерного осевого сжатия, что уменьшает количество растягивающих напряжений и уменьшает количество дефектов, а так же способствует повышению технологической пластичности [2-3].
В качестве формообразующей окончательной операции при изготовлении контактных железнодорожных проводов из катанки полученной ротационной ковкой наиболее рационально использовать волочение в фигурных волоках.
Важным фактором, оказывающим решающее влияние на формирование более изотропных свойств, является степень немонотонности деформации [4]. Общей особенностью указанных выше процессов является квазимонотонный характер деформации, который приводит, обычно, к вытяжке заготовки преимущественно в одном направлении -вдоль продольной оси. Для этого случая повороты главной оси тензора деформации относительно этого направления сравнительно малы, что ведет к формированию аксиальной текстуры [5-8]. Для повышения степени немонотонности деформации при ротационной ковке в данной работе был исследован вариант ротационной ковки со специально модифицированной геометрией деформирующего инструмента.
Таким образом, основной целью работы является исследование влияния геометрии деформирующего инструмента, обеспечивающего условия повышенной немонотонности деформации на структуру и свойства низколегированной бронзы системы Си-Сг в условиях комбинированной термомеханической обработки.
В связи с поставленной целью определены задачи:
- провести аттестации структуры методом РЭМ заготовки после обработки методом РК и прокатки с одинаковой степенью вытяжки;
- сравнить физико-механические свойства заготовки после обработки методом РК и прокатки с одинаковой степенью вытяжки;
- оценить физико-механические свойства сплава системы Си-Сг после комбинированной обработки, включающей: ротационную ковку, волочение и старение.
Материал исследования
Сплав системы Си-Сг - является термически упрочняемым сплавом, после термомеханической обработки имеет хорошее сочетание физико-механических и эксплуатационных свойств [9], и подходит для изготовления изделий электротехнического назначения. Химический состав исследуемого материала представлен в табл. 1. Исходное состояние материала было получено с помощью термической обработки, включающей выдержку в течении часа в печи №ЬегШегт при температуре 1050°С с дальнейшей закалкой в воду. В результате получена равноосная зеренная структура. Средний размер зерен составил 120±3 мкм. Фотография структуры, сделанная с помощью оптического микроскопа, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Микроструктура Си-0.6Сг после закалки.
В исходном состоянии сплав Си-0.6Сг имеет следующие физико-механические характеристики: предел прочности ~ 240 МПа, электропроводность 45% 1АС8, пластичность 40%.
Таблица 1
Химический состав сплава Си-0.6Сг
Си, % | Сг,% | Ост., %
99.1 0.6 0.3
Эксперимент
В ходе проведения эксперимента образцы были получены тремя методами деформации.
Первый метод ротационной ковки. Исходный пруток длиной 350 мм, диаметром 14 мм был подвергнут обработке в 3 прохода с разовой степенью деформации равной е ~ 0.3-0.4 до окончательного размера поперечного сечения 6.8 мм, обработка проводилась при комнатной температуре, разогрев за один проход составил порядка 50 °С. Полученный образец представлен на рис. 2.
Рис. 2. Образец, полученный методом ротационной ковки.
Подача заготовки осуществлялась в ручном режиме. Использовалось два комплекта специальных бойков. Особенность применяемых нами инструмента заключается в том, что специальная форма бойков позволяет увеличить степень накопленной деформации в сравнении с классическим инструментом, а так же повысить степень немонотонности [10] Для понимания разницы, на рис. 3-4 представлены 3Б модели классических и со специальной формой бойков.
После деформационной обработки из прутка изготавливали образцы для испытания на растяжения и часть этих образцов подвергалась термической обработке - старению. Старение проводилось при температуре 450 °С в течении 1 часа.
Второй метод - прокатка. Использовался прокатный стан марки ЮМО. Исходный пруток диаметром 14 мм и длиной 350 мм прокатывали при комнатной температуре, с обжатием 0.2-0.3 мм за
проход до размера поперечного сечения 6.8 мм. После деформационной обработки из прутка изготавливали образцы для испытания на растяжения и часть этих образцов подвергалась термической об-
работке - старению. Старение проводилось при температуре 450 ^ в течении 1 часа. Полученный прокаткой образец, представлен на рис. 5.
I ! 1 1 14 17 1« 1« 211 31 22 23 24 25 26 27 24 30
Ж.. ^ШнШННН^^^^ННШ» <1 ..1 _ -
Рис. 5. Образец, полученный ротационной ковкой и последующей прокаткой в сортовых калибрах.
Третий метод обработки - комбинированная обработка, включающая ротационную ковку, волочение и старение. Пруток полученный ротационной ковкой дополнительно подвергали волочению до диаметра 3 мм с последующим старением. Пруток, полученный комбинированием ротационной ковки и волочения, представлен на рис. 6.
Рис. 6. Образец, полученный ротационной ковкой и последующим волочением.
Результаты
Микроструктурный анализ. После деформации прокаткой со степенью е=1.2 формируется сильно вытянутая в направлении продольной оси крупнозернистая структура. При этом (рис. 7а) размер зерен составляет 600-700 мкм. В поперечном сечении образца формируется зеренно-субзеренный тип структуры со средним размером зерен 42±2 мкм, причем зерна имеют форму близкую к равноосной с присутствием двойниковых границ деформационного происхождения.
При ротационной ковке, с такой же степенью деформации е = 1.2, формируется более мелкая структура полосчатого типа со средним размером полос около 6-10 мкм и высоким коэффициентом вытянутости формы зерна k = 1:15. Внутри полос наблюдается высокая плотность вторичных полос скольжения, которые свидетельствуют о неоднородности деформации. В поперечном сечении образца наблюдаются сильно деформированная структура с высокой разориентировкой границ преимущественно равноосных зерен.
Фотографии микроструктур с растрового электронного микроскопа представлены на рис. 7.
г
Рис. 7. Изображения микроструктуры в растровом электронном микроскопе после прокатки (а, б) и ротационной ковки (в, г) в продольном и поперечном сечениях образца, соответственно.
Физико-механические свойства. В ходе исследования основное внимание было уделено 3 параметрам: прочности, электропроводности и пластичности. Прочность и электропроводность являются одними из основных характеристик контактных проводов, технологическая пластичность влияет на качество получаемой продукции, а повышенная остаточная пластичность позитивно влияет на эксплуатационную надежность продукции. Полученные результаты были сведены в табл. 2.
Таблица 2
Физико-механические свойства
Метод обработки Режим Степень деформации (ln) Предел прочности, МПа Пластичность, % Электропроводность, % IACS
Закалка 1050 С, 1 час, вода 0 240±10 40 45±2
Ротационная ковка Ф14 - п11.5 -о10.2 - □Б.5 - ^6.8 1.202 390±10 14 33±2
Прокатка Ф14 - ^6.8 (0.4 мм за 1 проход) 1.202 375±10 11 38±2
Ротационная ковка + старение Ф14 - □И .5 -п10.2 - ^8.5 -□6.8 + старение 1 час при 450 С 1.202 515±15 23 73±2
Прокатка + старение Ф14 - ^6.8 (0.4 мм за 1 проход) + старение 1 час при 450 С 1.202 480±15 15 76±2
Ротационная ковка + волочение Ф14 - □И .5 -п10.2 - ^8.5 - ^6.8 -волочение до Ф3 ( 8 проходов) 3.08 485±15 10 -
Ротационная ковка Ф14 - □ 11.5 -□10.2 - ^8.5 -
+ волочение + □6.8 - волочение до Ф3 (8 про- 3.08 610±15 12 -
старение ходов) + старение 450 С
Выводы 2. Сосенушкин Е. Н. Технологии конструкционных нанома-
1. Установлено, что при одинаковом коэффициенте вытяжки (~1.2) размер структурных фрагментов в поперечном сечении после ротационной ковки значительно меньше, чем при прокатке. После ротационной ковки размер структурных фрагментов составляет в среднем ~6.5±0.5 мкм, а после прокатки 42±3 мкм.
2. Последующее старение образцов, полученных РК при 450 °С (1 час), приводит к увеличению их прочности до ~515 МПа. относительно ~480 МПа после прокатки и аналогичной термической обработки.
3. Относительная пластичность образцов полученных методом РК и старением равна 23%. что заметно выше этого показателя равного 15%. после прокатки и старения.
4. Электропроводность после термической обработки одинакова для обоих методов и составляет 73-76% IACS. Комбинированная обработка ротационной ковкой и последующим волочением до суммарной степени деформации е~3. в сочетании со старением позволяет повысить прочность сплава системы Си-Сг до 610 МПа.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках соглашения о предоставлении субсидии №14.586.21.0025 (уникальный идентификатор проекта ЕЕМЕЕ158б1бХ0025).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гершман И. С.. Миронос Н. В. Требования к контактным проводам для высокоскоростного железнодорожного транспорта // Вестник ВНИИЖТ. 2011. №3. С. 13-17.
териалов с позиции синергетического подхода / Вюник НТУ «ХП1». 2013. №42. С. 156-166.
3. Дедюлина О. К. Формирование ультрамелкозернистой структуры в среднеуглеродистой стали 40ХГНМ ротационной ковкой и ее влияние на механические свойства // Фундаментальные исследования. 2013. №1. С. 701-706.
4. Жеребцов С. В. Структурные изменения в ходе большой пластической деформации и развитие методов получения ультрамелкозернистой структуры в полуфабрикатах из сплавов на основе титана: автореф. дисс. ... д-ра тех. наук. Екатеринбург: УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. 2013. 43 с.
5. Утяшев Ф. З. Современные методы интенсивной пластической деформации. Уфа: УГАТУ. 2008. 313 с.
6. Кайбышев О. Л.. Утяшев Ф. З. Сверхпластичность. измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов. М.: Наука. 2002. 438 с.
7. Валиев Р. З.. Александров И. В. Наноструктурные материалы. полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Пегас. 2000. 272 с.
8. Тюрин В. А. Ковка на радиально-обжимных машинах / под общ. ред. В. А. Тюрина. М.: Машиностроение. 1990. 256 с.
9. Осинцев О. Е.. Федоров В. Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. М.: Машиностроение. 2004. 336 с.
10. Asfandiyarov R.. Raab G.. Aksenov D. Analysis of the stress-strained state of billets processed by rotary forging with special shape of the tool // Solid State Phenomena. Accepted. 2018.
11. Гундеров Д. В.. Низамутдинова А. М.. Валеев К. А.. Столяров В. В. Сплавы RFeB в исходном состоянии и подвергнутые интенсивной пластической деформации кручением // Вестник БашГУ. 1998. №2. С. 28-32.
12. Гундеров Д. В.. Чуракова А. А.. Лукьянов А. В.. Прокофьев Е. А.. Хасанова Д. А.. Заманова Г. И. Тонкая микроструктура аморфных сплавов Ti-Ni-Cu подвергнутых кручению под высоким давлением // Вестник БашГУ. 2015. Т. 20. №2. С. 403-407.
Поступила в редакцию 10.05.2018 г.
EFFECT OF NON-MONOTONIC AND QUASI-MONOTONIC DEFORMATION ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF A LOW-ALLOYED BRONZE OF THE Cu-Cr SYSTEM
© R. N. Asfandiyarov1'2*, G. I. Raab1, D. A. Aksenov2, D. V. Gunderov1'2, G. I. Zamanova3
1Ufa State Aviation Technical University 12 K. Marx Street, 450008 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
2Institute of Molecule and Crystal Physics, Ufa Federal Research Center of RAS 151 Oktyabrya Avenue, 450075 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
3Bashkir State University 32 Zaki Validi Street, 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
Phone: +7 (927)924 44 43.
*Email: a.r.n@list.ru
High-speed railway transport is actively developing nowadays. The number of passengers and volume of freight traffic are increasing. The comfort of travelling for passengers is increasing as well, while the transportation time is decreasing. However, speed increase leads in turn to an increase in the mechanical loads on the overhead contact sy stem. Therefore, it is necessary to increase the strength characteristics of overhead contact systems of high-speed railways. One of the ways to solve this task is to produce contact wires with an ultrafine-grained structure. There are a number of works demonstrating that the efficiency of formation of the ultrafine-grained state in metals is largely influenced by the degree of non-monotony of strain. In this article, the authors studied a combined processing of a low-alloyed bronze of the Cu-Cr system, including rotary swaging, drawing, and heat treatment. In addition, the rotary forging method was compared with rolling, the conventional method for wire fabrication. For rotary swaging, the authors used special-shaped anvils increasing the non-monotony of strain. For the purpose of an additional structure refinement, the billets were subjected to drawing. In the course of the study, the authors performed tensile mechanical tests, structural analysis by scanning electron microscopy, and analysis of electrical conductivity. The result demonstrate that under the same elongation ratio (~1.2), the size of structural fragments in the transverse section after rotary forging is significantly smaller than that in the case of rolling. In addition, it is established that the combined processing by rotary forging and subsequent drawing to a total strain of e~3, combined with aging, enables increasing the strength of the Cu-Cr alloy to 610 MPa.
Keywords: processing, low-alloyed bronze, combined treatment, rotary swaging, nonmonotonic deformation, Lode-Nadai coefficient.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Gershman I. S., Mironos N. V. Vestnik VNIIZhT. 2011. No. 3. Pp. 13-17.
2. Sosenushkin E. N. Tekhnologii konstruktsionnykh nanomaterialov s pozitsii sinergeticheskogo podkhoda / Visnik NTU «KhPI». 2013. No. 42. Pp. 156-166.
3. Dedyulina O. K. Fundamental'nye issledovaniya. 2013. No. 1. Pp. 701-706.
4. Zherebtsov S. V. Strukturnye izmeneniya v khode bol'shoi plasticheskoi deformatsii i razvitie metodov polucheniya ul'tramelkozernistoi struktury v polufabrikatakh iz splavov na osnove titana: avtoref. diss. ... d-ra tekh. nauk. Ekaterinburg: UrFU im. pervogo Prezidenta Rossii B. N. El'tsina. 2013.
5. Utyashev F. Z. Sovremennye metody intensivnoi plasticheskoi deformatsii [Modern methods of intensive plastic deformation]. Ufa: UGATU. 2008.
6. Kaibyshev O. L., Utyashev F. Z. Sverkhplastichnost'. Izmel'chenie struktury i obrabotka trudnodeformiruemykh splavov [Superplastici-ty. Grinding of structure and processing of difficult-to-form alloys]. Moscow: Nauka. 2002.
7. Valiev R. Z., Aleksandrov I. V. Nanostrukturnye materialy, poluchennye intensivnoi plasticheskoi deformatsiei [Nanostructured materials produced by intense plastic deformation]. Moscow: Pegas. 2000.
ISSN 1998-4812
BeciHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2018. T. 23. №2
275
8. Tyurin V. A. Kovka na radial'no-obzhimnykh mashinakh [Forging on radial swaging machines] / pod obshch. red. V. A. Tyurina. Moscow: Mashinostroenie. 1990.
9. Osintsev O. E., Fedorov V. N. Med' i mednye splavy. Otechestvennye i zarubezhnye marki [Copper and copper alloys. Russian and foreign brands]. Moscow: Mashinostroenie. 2004.
10. Asfandiyarov R., Raab G., Aksenov D. Solid State Phenomena. Accepted. 2018.
11. Gunderov D. V., Nizamutdinova A. M., Valeev K. A., Stolyarov V. V. Vestnik BashGU. 1998. No. 2. Pp. 28-32.
12. Gunderov D. V., Churakova A. A., Luk'yanov A. V., Prokofev E. A., Khasanova D. A., Zamanova G. I. Vestnik BashGU. 2015. Vol. 20. No. 2. Pp. 403-407.
Received 10.05.2018.
