автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии производства проволоки из вольфрама

Шегай Модест Анатольевич

Исследование и разработка технологии производства проволоки из вольфрама

Специальность 05.16.05 «Обработка металлов давлением»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор д.т.н. Петров А.П.

Москва 1998

- 2 -Введение

Современное развитие новой техники (авиационные двигатели, космические ракеты, газовые турбины для энергетики, источники высокоинтенсивного света и т.д) требует применение тугоплавких металлов обладающих значительным сопротивлением ползучести в условиях высоких температур. В последние годы в развитых странах получают бурное развитие ракетостроение, создание более совершенных летательных аппаратов, атомная энергетика, где плавленый и металлокерамический вольфрам применяют для армирования конструкционных материалов, изготовления сопловых насадок ракетных двигателей, а также решеток и катодов плазменных и ионных двигателей и др.

Современное развитие светотехнической и электронной промышленности обуславливает значительное повышение требований к качеству вольфрамовой проволоки марки ВА, являющейся одним из основных конструкционных и электродных материалов в этих областях техники.

Решению и развитию проблем, связанных с обработкой давлением тугоплавких металлов и сплавов на их основе, способствовали теоретические и экспериментальные исследования отечественных ученых С.И. Губкина, A.B. Крупина, М.В. Мальцева, И.Л. Перлина, Г.С. Писаренко, P.A. Нилендера, Е.М. Савицкого, В.Н. Выдрина и др. внесших много ценного в практику обработки металлов давлением.

Как известно свойства металлов зависят не только от химического состава, структуры, легирующих присадок и других факторов, но и от технологии получения конечного продукта.

В основе промышленного производства вольфрамовой проволоки лежит известный метод порошковой металлургии, предложенной Кулиджем в 1909 году. По этому методу вольфрамовый порошок брикетируют механическим способом, спекают в атмосфере водорода при прямом пропускании электрического тока и обрабатывают давлением (ковка и волочение). С тех пор технологические режимы применяемые в промышленности для производства вольфрамовой проволоки, в деталях претерпели

ряд изменений. Однако, принципиальная схема технологического процесса получения вольфрамовой проволоки не изменилась.

Существующая технология не достаточно обеспечивает требуемое качество вольфрамовых пр> ¡ков и проволоки, необходимое на современном этапе развития.

новой техники

Наряду с совершенствованием существующей технологии, необходим поиск новых методов обработки вольфрама, позволяющих повысить эффективность производства и улучшить качество вольфрамовой проволоки.

Одним из таких методов является прокатка на станках с многовалковыми калибрами .взамен ротационной ковки, с целью получения заготовок для волочения.

Целью данной работы является повышение эффективности производства вольфрамовой проволоки и улучшение ее качества на базе всесторонних исследований и разработка новой промышленной технологии обработки металлокерамических вольфрамовых штабиков.

В работе разработаны научно-обоснованные технологические режимы прокатки вольфрамовых штабиков до стадии грубого волочения, тем самым предложен способ обработки штабиков и прутков из вольфрама, исключающий традиционный способ ротационной ковки.

Настоящая работа выполнена под научным руководством профессора, доктора технических наук Петрова Анатолия Павловича.

Содержание

Введение......................................................................... ..............2

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования..............................................................................6

1.1. Способы производства вольфрамовой проволочной заготовки..........................6

1 2. Анализ существующей технологии производства вольфрамовой

проволоки........................................................................................................................................................................21

1.3. Анализ известных экспериментальных исследований................................27

1.4. Выводы и задачи исследования..........................................................................................35

Глава 2. Методика экспериментальных исследований ........................................................37

2 1 Исходный материал ....................................................................................................................................................37

2.2. Разработка методики экспериментальных исследований......................................38

2.3. Планирование эксперимента................................................................................................................................40

2.4 Оборудование для производства и проведения экспериментальных

исследований......................................................................-.......... ................41

Глава 3 Влияние различных способов пластической деформации на свойства

вольфрамовых прутков............................................................................................................................................................46

3.1. Изменение структуры и пористости при различных способах

пластической деформации вольфрамовых прутков..................................................................46

3.2 Электронномикроскопические исследования вольфрамовых прутков 50

3.3 Кристаллографическая текстура вольфрамовых прутков ......................54

3.4. Твердость и трещиностойкость................................................................................................................................58

3.5. Выводы по главе................................................................................................................................................................................63

Глава 4. Исследование и разработка оптимальной технологической схемы

прокатки вольфрамовых прутков......................................................................................................................64

4.1. Исследования влияния температуры, степени деформации и скорости

прокатки................................................................................................................................................................................................64

4.2 Влияние отжига на свойства вольфрамовых прутк з......................................................76

4.3. Исследования оптимальной технологической схемы деформации вольфрамовых прутков............................................................................................................................................................82

4.4. Разработка оптимальной технологии получения вольфрамовых прутков......................................................................................................................................................................................................87

4.5. Разработка математической модели качества прутков из вольфрама после прокатки в четырехвалковых калибрах на гладкой бочке ........ 95

4.6. Выводы по главе....................................................................................... 112

Глава 5. Разработка и внедрение новой технологии производства

вольфрамовой проволоки............................................................................ 114

5 Л Разработка новой технологии получения качественной вольфрамовой

проволочной заготовки и проволоки......................................... 114

5.2. Технико-экономическая эффективность производства проволоки по

разработанной технологии....................................................................... 124

Выводы по работе................................................................................... 132

Литература............................................................................................ 134

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Способы производства вольфрамовой проволочной заготовки.

Современная технология обработки давлением тугоплавких металлов отличается многообразием технологических способов, обусловленных потребностями современных отраслей техники в широком сортаменте и разнообразии физико-механических и эксплуатационных свойств изделий. В частности за последние годы разработан ряд новых процессов в области обработки давлением для производства проволочной заготовки из тугоплавких металлов. Это вызвано прежде всего возросшими потребностями различных отраслей народного хозяйства в качественной проволоке с заданными свойствами позволяющими использовать ее для специальных источников света, - различных конструкций и для производства композиционных материалов.

Ниже приведено описание и анализ как традиционных так и новых технологических процессов производства проволочной заготовки из тугоплавких металлов.

а)Ротационная ковка

Это традиционный процесс обработки давлением, на котором базируется современная технология промышленных предприятий для получения проволочной заготовки из тугоплавких металлов, в частности вольфрама. Принцип действия ротационной ковочной машины состоит в том, что спеченный вольфрамовый штабик получает большое число ударов /до 3300-4000 в мин/ двумя ковочными плашками /бакенами/, вращающимися с большой скоростью вокруг штабика. Бакены изготовляются из быстрорежущей стали и твердых сплавов. В результате прутки проковываются со всех сторон равномерно. При этом четырехгранные штабики принимают круглую форму и постепенно вытягиваются.

Перед ковкой штабики нагревают до температуры 1250-1500°С (в зависимости от размера и формы заготовки). Обжатие в начале ковки за каждый переход составляет 8-15%. По мере увеличения суммарного обжатия температура ковки

уменьшается до 1250иС при диаметре заготовки 2,5-2,75 мм. так как энергия, накопления штабиком при ковке, являясь движущей силой рекристаллизации, сдвигает порог рекристаллизации в область низких температур. Если на конечных операциях вольфрам обрабатывать при температурах, превышающих рекристал:г.:ационные. то проволока, становится хрупкой вследствие образования крупных зерен и сегрегации примесей по границам [1]. Ковка вольфрама при температурах, ниже установленных, может привести к появлению трещин и расслоений. При температурах, превышающих установленную, происходит налипание металла на инструмент. Уже во время ковки происходит ориентирование отдельных кристаллов вдоль оси заготовки в результате чего образуется волокнистая структура. Предварительный подогрев штабиков на первых стадиях ковки производят в электрических печах сопротивления с молибденовыми нагревателями в атмосфере водорода. На первых стадиях прутки за один прием проковывают лишь до половины их длины. После поворота прутки снова нагревают в печи и проковывают вторую половину прутка. В силу ограниченной длины штабиков первые стадии ковки производятся с ручной подачей заготовки в машину. В отдельных случаях (фирма "Тунгстен", завод "Победит") применяют механическую подачу штабиков в зону обработки. Начиная с определенного диаметра прутка, когда длина его становится достаточной, переходят на непрерывную ковку. В этом случае предварительный нагрев производят путем пропускания прутка через печь непосредственно перед ковочной машиной. Так как температура нагрева при этом значительно ниже, возможно применение газовых печей, работающих на смеси природного газа с воздухом. Подачу при непрерывной ковке производят преимущественно механически.

К недостаткам процесса ротационной ковки следует отнести значительную неравномерность деформации металла по сечению и длине заготовки, низкую производительность и тяжелые условия труда. Одним из перспективных направлений совершенствования процесса является разработка рациональной конфигурации бойков. Авторами работы [2] выполнен комплекс исследований

напряженно-дефорчированного состояния металла при ковке бойками различной конфигурации с использованием экспериментального метода оптически чувствительных покрытий. При ковке обычными бойками в области непосредственно под бойками образе гея юна затрудненной деформации. Последняя воздействует на заготовку как клин, вышвая в ее центральных частях растягивающие напряжения. Наличие вертикальных сжимающих и продольных растягивающих напряжений приводит к увеличению интенсивности деформации сдвига в центре симметрии. С увеличением обжатия свободный от бойков контур фактического очага деформации изгибается и вдоль него действует растягивающие напряжения и деформации. Качественно и количественно изменяется картина деформированного состояния заготовки при ковке рельефными вырезными бойками. В данном случае отсутствует характерная зона затрудненной деформации. Деформации начинают развиваться с контактных выступов бойков и проникают в центральную часть заготовки, причем протяженность зо?; л с максимальными значениями деформации сдвига значительно больше, чем при ковке обычными вырезными бойками. Протяженность фактического очага деформации в случае ковки рельефными бойками зависит не только от обжатия металла, но и от расстояния между выступами бойков и ширины впадины между выступами. В работе рекомендована рациональная геометрия рельефных бойков с точки зрения достижения наиболее благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния при ковке. Не смотря на улучшение напряженно-деформированного состояния при ковке рельефными бойками, этот процесс не обеспечивает требуемого качества проволочных заготовок.

б) Прессование

Прессование является рациональным методом обработки давлением низкопластичных тугоплавких металлов и сплавов, поскольку напряженно-деформированное состояние металла /схема неравномерного всестороннего сжатия в очаге деформации' способствует значительному повышению технологической пластичности обрабатываемого металла. Прутки и трубы из тугоплавких металлов деформируют методами прямого прессования, прессования с противодавлением и гидропрессования.

ГТрямое прессование прутков и труб осуществляют, как правило на быстроходных гидравлических прессах. Скорость прессования составляет 0.1-0.6 м сек. В качестве смазок при высокотемпературном прессовании тугоплавких ме галлов в интервале температур 1000-1800"С используют стеклосмазки на основе борсиликатных стекол. Нагрев металла под деформацию обычно индукционный в вакууме или защитной атмосфере.

Известен опыт фирм США в области обработки сплавов прессования со скоростью от 7.5 до 90 м/сек. Это позволяет прессовать ниобий, молибден и даже вольфрам при температуре на 80-120°С ниже, чем при обычной технологии, с вытяжками порядка 7-16.

Для деформирования малопластичных сплавов в России и за рубежом разработан способ прессования с противодавлением, при котором к торцу прессуемого изделия прилагается давление от толкателя, резко снижающее растягивающее напряжение на выходе металла из матрицы. Для создания противодавления используют вспомогательный пластичный материал, продавливаемый через второй контейнер впереди основной заготовки. Прессование с противодавлением молибдена, даже с повышенным содержанием кислорода, позволяет получить высококачественные изделия.

в) Гидропрессование

Гидропрессование является одним из видов гидростатической обработки материалов. Особенность процесса заключается в использовании лля выдавливания металла через матрицу энергии рабочей жидкости, находящейся под высоким давлением. Принципиальная схема гидропрессования, предложенная Бриджменом, заключается в том, что в замкнутый объем, образованный контейнером, матрицей и заготовкой, подается жидкость под высоким давлением /или давление создается при перемещении плунжера/. При достижении определенного уровня давления происходит выпрессовка заготовки.

Особенностью процесса является благоприятная схема напряженного состояния, вследствие чего происходит увеличение предельных деформаций за счет повышения пластичности обрабатываемого металла, отсутствие трения заготовки о стенки

контейнера, а также создание в ряде случаев режима гидродинамического трения между изделиями и инструментом. При высоких давлениях уменьшаются растягивающие напряжения, действующие нормально к площадке сдвига в деформируемом теле, и подавляется как процесс зарождения трещин, так и их развитие. Авторы работы [3] связывают повышение прочности и пластичности, снижение температурного порога хрупкости в деформированном состоянии, а также сохранение высокой пластичности гидроэкструдированных материалов после высокотемпературного отжига с формированием исключительно тонкой субзеренной структурой /с размерами блоков 2-3 мкм/ на основе сильно разориентированной ячеистой дислокационной структуры, образующейся в результате деформации под высоким всесторонним давлением жидкости.

Некоторые разновидности процесса гидропрессования схематически показаны на рис. 1.1. В настоящее время известны четыре основных способа выдавливания жидкостью высокого давления [4] : простое гидропрессование, гидропрессование с противодавлением и гидромеханическое прессование - с приложением усатая к заготовке /гидропрессование с подпором/ и к изделию /гидропрессование с волочением/. Получает развитие и процесс непрерывного гидропрессования изделий неограниченной длины [5]. Простое гидропрессование является наиболее простым способом. Однако в этом случае ограничена длина заготовки и создаются определенные трудности в управлении процессом прессования. Гидропрессование с противодавлением применяется в основном при обработке хрупких материалов, когда подпор ра�