CC BY
11
УДК 621.777; 669.715
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ФОРМОВАНИЯ ЗАГОТОВОК-БРИКЕТОВ
НА СВОЙСТВА ПРУТКОВ ИЗ СТРУЖКИ СИЛУМИНА
Н.Н. Загиров, С.Б. Сидельников, Е.В. Иванов, Е.В. Феськова, В.А. Фролов
Предложена и практически опробована схема производства стержневых полуфабрикатов из отходов резания силумина, полностью исключающая процесс плавления. Исследование демонстрирует сравнительную оценку механических свойств стержней и проволоки, изготовленных методом горячей экструзии и холодной вытяжки с использованием заготовок, спрессованных различными методами брикетирования. Изучена роль операции отжига в процессе формирования конечных свойств готовых изделий.
Ключевые слова: силумин, отходы резки, брикетирование, горячая экструзия, волочение, отжиг, катанка, механические свойства.
Проволока из алюминия и алюминиевых сплавов, получаемая экструзией с последующим волочением и предназначенная, в конечном итоге, для сварки изделий и конструкций плавлением, находит свое, пусть и ограниченное, применение в отдельных отраслях промышленного производства. Это, в частности, касается сварочной проволоки из эвтектических силуминов типа сплава АК12 [1], которые по своему химическому составу относятся к литейным алюминиевым сплавам и в принципе нетехнологичны для обработки давлением.
Так как производство проволоки из силуминов по традиционной технологии (литьё слитков, прессование на гидравлических прессах и последующее волочение) является относительно сложным и трудоёмким процессом, то отечественная промышленность такую проволоку практически не производит, поэтому потребители часто вынуждены покупать её за рубежом по достаточно высоким ценам.
С другой стороны, при решении проблем, касающихся возвращения в производственный оборот образующихся, например, при механической обработке заготовок литых дисков колес сыпучих стружковых отходов из указанного сплава, важная роль отводится реализуемым технологиям их переработки [2, 3]. Одним из перспективных направлений развития такого рода технологий является переход от общепринятой схемы, основанной на переплаве стружки в свободнозасыпанном или сбрикетированном виде, на более рациональную, предполагающую комбинирование и сочетание приемов порошковой металлургии и процессов обработки давлением [4].
В общем виде один из вариантов технологической схемы изготовления сварочной проволоки из сыпучих отходов силумина, отражающий предлагаемый подход, отображен на рис. 1. При этом на стадии компакти-рования стружки в брикеты возможны два пути реализации операции брикетирования: холодное, проводимое при комнатной температуре, и горячее, осуществляемое с предварительным нагревом пресс-формы вместе со стружкой до температуры порядка 400... 420 °С.
139
Рис. 1. Технологическая схема изготовления прутков и проволоки круглого поперечного сечения из стружки силумина с использованием традиционной схемы дискретной экструзии
Целью работы являлся поэтапный сравнительный анализ механических свойств прутково-проволочной продукции, получаемой в целом с применением единого подхода к ее изготовлению из стружки сплава АК12 (общий вид ее показан на рис. 2, а) в одном случае из холоднобрикетиро-ванных (рис. 2, б), а в другом - из горячепрессованных (рис. 2, в) заготовок-брикетов.
а б в
Рис. 2. Внешний вид отдельно стружки сплава АК12 (а), холоднобрикетированной (б) и горячепрессованной (в) заготовок-брикетов
Предварительно были проведены эксперименты по брикетированию указанной стружки в закрытой пресс-форме при разных температурах брикетирования. Масса навески стружки каждый раз составляла порядка 100 г. Диаметр контейнера был равен 42 мм. Максимальное прикладываемое давление брикетирования принималось равным 180 МПа, выдержка при этом давлении - 5 мин.
По ходу брикетирования и в конце его определяли величину текущей и конечной интегральной плотности брикетов, значения которых в зависимости от температуры и давления брикетирования приведены
140
на рис. 3. Видно, что указанные зависимости, построенные в диапазоне температур от 20 до 400 °С, носят практически линейный характер с прослеживанием некоторой тенденции к снижению интенсивности уплотнения с увеличением температуры брикетирования.
Давление брнкетировати р. МПа
Рис. 3. Зависимость плотности брикетов р от давления брикетирования р при разных температурах брикетирования
Очевидно, что чем ниже начальная плотность используемых для изготовления прутков исходных брикетов, зависящая в первую очередь от выбранного температурного и силового режима проведения операции брикетирования, тем относительно более продолжительный отрезок времени занимает стадия предварительного уплотнения их перед началом истечения металла из матрицы. При этом важно учитывать и величину используемой навески стружки, с увеличением которой усиливается неоднородность проработки при брикетировании всего объема компактируемой массы, вплоть до возникновения ситуации с нераспространением прикладываемого давления уплотнения требуемого уровня до нижних, наиболее удаленных от перемещаемого пуансона, слоев стружки. Разрешением такого развития событий может служить использование при горячей экструзии составного, состоящего из нескольких частей брикета, общая высота которого в этом случае будет ограничена только длиной рабочей втулки контейнера и максимально развиваемым усилием применяемого пресса.
Реализуемый температурно-скоростной режим экструзии при использовании как цельных, так и составных брикетов-заготовок, полученных как холодным, так и горячим брикетированием стружки, оставался неизменным. Он соответствовал параметрам, рекомендуемым для горячего прессования прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов, т.е. когда температура нагрева заготовки 6 = 430...450 °С, а скорость прессования ип = 5.10 мм/с [5].
Учитывая, что при экструзии алюминиевых заготовок, в том числе и высокопористых, можно обеспечить изотермические условия деформирования, т.е. равенство температур нагрева инструмента и деформируемо-
го металла, в экспериментах брикеты с нанесенной на все контактные поверхности с инструментом смазкой в виде смеси графита с маслом нагревали вместе с инструментальной оснасткой. Для этого использовали установку, общий вид которой показан на рис. 4, снабженную специальным стационарным нагревательным устройством.
а б
Рис. 4. Схема (а) и общий вид (б) установки для горячей экструзии:
1- пресс-штемпель; 2 - ограничитель хода; 3 - контейнер;
4 - пресс-шайба; 5 -заготовка; 6 - подкладка; 7 -матрицедержатель;
8 - основание; 9 - матрица
В работе экструзией попарно получали прутки диаметром 6 мм (коэффициент вытяжки при этом составлял 1 » 56) и 8 мм (1 » 32).
После экструзии у полученных прутков отделяли передний слабо-деформированный конец длиной порядка 80...100 мм. Далее один из двух отпрессованных прутков каждого диаметра, полученных к тому же из разных по типу (цельная или составная) заготовок, шел на изготовление образцов для проведения механических испытаний на растяжение. При этом отдельные фрагменты, из которых их вытачивали, брались из разных мест по длине прутка. Другие прутки, полученные в идентичных с первыми условиях, служили заготовками для последующей холодной обработки волочением.
Механические испытания на растяжение проводили согласно ГОСТ 10446-80 на универсальной испытательной машине LFM 400. Для этого из пресс-изделий и тянутых прутков диаметром 5 мм и более изготавливали гантелеобразные образцы с соотношением размеров рабочей части l0/d0 = 5, а из проволоки диаметром менее 5 мм отбирались фрагменты с длиной рабочего участка порядка 50 мм. Весь ход испытания выводился на экран дисплея и, в конечном итоге, оформлялся соответствующим специальным протоколом. На каждую точку бралось по три образца, а за конечный результат при определении временного сопротивления разрыву ов, относительного удлинения 5 и относительного сужения y принимались средние их значения.
Последующее холодное волочение осуществляли на цепном волочильном стане ЦВС-3 по следующим маршрутам (изменение диаметра проволоки по переходам волочения, мм):
а) 0 8 мм — 0 7,5 мм—> 0 7,2 мм^ 0 6,6 мм^ 0 6,0 мм;
б) 0 6 мм — 0 5,7 мм— 0 5,4 мм— 0 5,0 мм.
На конечных диаметрах 6 и 5 мм с использованием единого режима (0отж = 400 °С, т = 1 ч) осуществляли отжиг полученных полуфабрикатов.
Сравнительные данные проведенных механических испытаний представлены в таблице.
Сравнительные результаты механических испытаний прутков и проволоки из стружки сплава АК12 на растяжение
№ п/п Наименование сопоставляемого объекта Механические свойства Исходная заготовка
Холоднобрикети-рованная Горячебрикети-рованная
1 Пруток 0 8 мм после горячей экструзии Ов, МПа 165.175 160. 170
5, % 15.20 13. 18
у, % 30.40 25.30
2 Проволока 0 7,5 мм после экструзии и волочения (£Х = 12 %) Ов, МПа 205.215 200.210
5, % 10.15 10. 15
у, % 20.30 18.23
3 Проволока 0 6 мм после экструзии и волочения (£Х = 44 %) Ов, МПа 260.270 240.250
5, % 3.5 2.4
у, % 15.20 12. 17
4 Проволока 0 6 мм после отжига Ов, МПа 160.170 165. 170
5, % 20.25 8.10
у, % 35.40 25.30
1 Пруток 0 6 мм после горячей экструзии Ов, МПа 175.185 165. 175
5, % 15.20 18.23
у, % 25.35 30.35
2 Проволока 0 5,4 мм после экструзии и волочения (£Х = 19 %) Ов, МПа 220.230 210.220
5, % 5. 10 4.8
у, % 20.25 18.23
3 Проволока 0 5 мм после экструзии и волочения (£Х = 31 %) Ов, МПа 245.255 230.235
5, % 3.5 2.4
у, % 15.20 12. 17
4 Проволока 0 5 мм после отжига Ов, МПа 165.175 155. 160
5, % 20.25 10. 15
у, % 40.45 30.35
Анализируя результаты, представленные в таблице, можно сделать ряд выводов. На уровень свойств прутково-проволочной продукции из стружки сплава АК12 в диапазоне диаметров от 5 до 8 мм не оказывает принципиального влияния, каким способом, холодным или горячим брикетированием, формируется заготовка-брикет, и какой диаметр прутка закладывается при осуществлении процесса горячей экструзии. Так, например, у прутка 0 8 мм, полученного с коэффициентом вытяжки 32, прочностные характеристики независимо от того, каким способом сформирована заготовка-брикет, находятся на уровне значений Ов = 160.175 МПа, а пластические - на уровне значений 5 = 15.20 % и у = 25.40 %. Увеличение коэффициента вытяжки при экструзии до 56, соответствующее уменьшению
143
диаметра прессуемого прутка до 6 мм, хоть и вызывает некоторое повышение прочности материала, к заметному изменению механических свойств практически не приводит, что свидетельствует о сопоставимости состояния материала прессованного прутка в рассматриваемом диапазоне изменения степеней деформации при экструзии.
Дополнительная холодная обработка, как и следовало ожидать, вызывает повышение прочности материала прутка с одновременным снижением пластических характеристик. Причём чем выше степень деформации при волочении, тем в большей мере эти особенности изменения свойств, особенно это касается прочности, проявляются. В частности, например, при суммарном относительном обжатии при волочении £х = 19 % временное сопротивление разрыву ов составляет 210.. .230 МПа, а при £х = 44 % -ов = 240.270 МПа. При этом относительное удлинение 8 снижается до значений 2.5 %, а относительное сужение у - до значений 10.20 %. Отсюда можно сделать вывод, что для получения проволоки диаметром порядка 2.3 мм (такие размеры рекомендованы по техническим условиям ТУ 1-808-274-2003 для сварочной проволоки из сплава АК12) в общую схему по ее изготовлению необходимо обязательно вводить как промежуточный технологический, так и окончательный эксплуатационный отжиги.
Подкрепляющие эти утверждения эксперименты показали, что после осуществления отжига по указанному выше режиму на диаметрах порядка 5.6 мм после холодной деформации со степенями 31 и 44 % соответственно, прочность проволоки снижается до уровня значений ов = 155.175 МПа, а пластичность, наоборот, повышается до значений 8 = 10.25 % и у = 25.45 %. При этом верхние пределы указанных показателей соответствуют продукции, полученной из холоднокомпактирован-ной заготовки-брикета, нижние - из горячепрессованной.
Список литературы
1. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия, 1977. 272 с.
2. Сравнительный анализ технологий изготовления сварочной проволоки из эвтектического силумина с применением совмещенных методов обработки / Н.Н. Загиров, С.Б. Сидельников, Р.Е. Соколов, Ю.Н. Логинов // Цветные металлы. 2017. № 4. С. 86 - 92.
3. Технологическая схема получения лигатурного прутка из стружки силумина, исключающая ее переплав / Н.Н. Загиров, В.И. Аникина, Г.П. Усынина, А.С. Юриков, Е.В. Иванов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2011. Вып. 1. С. 34 - 38.
4. Загиров Н.Н., Логинов Ю.Н. Технологические основы получения материалов и изделий из сыпучих стружковых отходов меди и ее сплавов методами обработки давлением: монография. Красноярск: Сиб. федер. унт, 2015. 171 с.
5. Ерманок М.З., Фейгин В.И., Сухоруков Н.А. Прессование профилей из алюминиевых сплавов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1977. 264 с.
Загиров Николай Наильич, канд. техн. наук, доцент, kafomd_1@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,
Сидельников Сергей Борисович, д-р техн. наук, профессор, sbs270359@yandex.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,
Иванов Евгений Владимирович, старший преподаватель, kafomd I@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,
Феськова Елена Васильевна, канд. пед. наук, доцент, kafomd I@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,
Фролов Владимир Алексеевич, аспирант, kafomd1@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет
THE INFLUENCE OF THE METHOD OF FORMING BLANKS-BRIQUETTES ON THE PROPERTIES OF SIL UMIN CUTTING RODS
N.N. Zagirov, S.B. Sidelnikov, E. V. Ivanov, E. V. Feskova, V.A. Frolov
A scheme for the production of the bar semifinished products from silumin cutting waste, which completely eliminates the melting process is proposed and practically tested. The study demonstrates a comparative evaluation of the mechanical properties of rods and wire manufactured by means of hot extrusion and cold drawing using blanks compacted by various methods of briquetting. The role of the annealing operation in the process of formation of the final properties of the manufactured products has been studied.
Key words: silumin, cutting waste, briquetting, hot extrusion, drawing, annealing, rod-wire products, mechanical properties.
Zagirov Nikolai Nailich, candidate of technical sciences, docent, kafomd I @mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Sidelnikov Sergey Borisovich, doctor of technical sciences, professor, sbs2 70359@yandex. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Ivanov Evgeny Vladimirovich, senior lecturer, kafomd I @mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Feskova Elena Vasilyevna, candidate of pedagogical sciences, docent, kafomd I @mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Frolov Vladimir Alekseevich, postgraduate, kafomd I@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University
