автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств стальных проволок с покрытиями из алюминия и коррозионностойкой стали

На правах рукописи

/Т

Булаева Светлана Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ ПРОВОЛОК С ПОКРЫТИЯМИ ИЗ АЛЮМИНИЯ И КОРРОЗИОННОСТОЙКОЙ СТАЛИ

Специальность 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАР 2015

005559882

Волгоград-2015

005559882

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и композиционные материалы» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

ГУРЕВИЧ Леонид Моисеевич.

Официальные оппоненты: БАТАЕВ Владимир Андреевич,

доктор технических наук, профессор, Новосибирский государственный технический университет, зам. заведующего кафедрой;

КИСЕЛЕВ Олег Сергеевич,

кандидат технических наук,

ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование»,

(г. Волгоград),

младший научный сотрудник.

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана».

Защита состоится « 03 » апреля 2015 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.02, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета, по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина, 28, зал заседаний ученого совета (ауд. 209).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета и на сайте www.vstu.ru по ссылке http://www.vstu.ru/nauka/dissertatsionnye-sovety/zaschita/bulaeva-svetlana-aleksandrovna.html.

Автореферат диссертации разослан «17» февраля 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Зорин Илья Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большое распространение в технике получила биметаллическая проволока, представляющая сочетание металлов или сплавов с различными физическими и механическими свойствами. Один из металлов этой пары расположен в центре в виде сердечника, а второй - на периферии в виде плотно прилегающего к сердечнику покрытия. Широко применяются биметаллические проволоки, имеющие стальной сердечник и медную, алюминиевую или латунную оболочку, что обеспечивает высокую прочность, хорошую электропроводность и повышенную коррозионную стойкость.

Несмотря на накопленный значительный теоретический и экспериментальный материал, ряд вопросов, касающихся структурно-механической неоднородности, формирующейся при различных способах получения биметаллических проволок (твердофазная диффузия, взаимодействие стали с расплавом алюминия, процессы деформирования цилиндрической заготовки со значительным градиентом механических свойств слоев), недостаточно изучен. Так, вопросам влияния диффузии углерода в биметаллической проволоке углеродистая сталь - коррозионностойкая хромоникелевая аустенит-ная сталь в отечественных и зарубежных работах уделено незаслуженно мало внимания. В работах ряда отечественных ученых (Ватника JI.E, Гельмана A.C., Гохштейна Л.Г., Даненко В.Ф., Соннова А. П., Трыкова Ю. П., Явора A.A. и др.) было показано, что разность химических потенциалов углерода в составляющих биметалла, обусловленная различным содержанием углерода и влиянием карбидоообразующих и некарбидообразующих легирующих элементов, может приводить к образованию в приграничных с линией соединения слоях карбидной гряды, а также зон обезуглероживания и науглероживания, скорость формирования которых определяется также температурой термического воздействия и накопленной при деформировании дефектностью металла. Для уточнения этого положения необходимо проведение исследований по изучению особенностей формирования структуры и микромеханических свойств приграничных областей, а также поведения

Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., профессору Трыкову Юрию Павловичу за участие в формировании направления и методологической подготовке исследований и помощь при анализе научной новизны

микрообъемов разнородных металлов в процессе деформирования, результаты которых могут быть использованы для прогнозирования служебных свойств и поведения при технологических переделах биметаллической проволоки углеродистая сталь - коррозионностойкая хромоникелевая аустенит-ная сталь.

В биметаллической сталеалюминиевой проволоке, состоящей из разнородных по физико-механическим свойствам металлов, при технологических и эксплуатационных нагревах возможно протекание диффузионных процессов и, как следствие, образование хрупких алюминидных прослоек на границе соединения, затрудняющих возможность ее деформирования. Образование при нагреве интерметаллидных прослоек на границах соединения алюминий-сталь в различных состояниях исследована многими отечественными учеными (Париков JI.H, Лысак В.И., Рабкин Д. М., Рябов В.Р., Сахновская Е.Б., Седых B.C., Трыков Ю.П., Фальченко В.М., Шоршоров М. X., Crosslcmd В.), показавших, что кинетика роста алюминидов во многом, определяется температурой, составом алюминиевых сплавов и дефектностью поверхностных слоев стали. Однако имеющиеся сведения о кинетике формирования диффузионных прослоек алюминидов при нагревах получены, как правило, при исследовании листовых материалов, сваренных взрывом или прокаткой. Исследование изменения при термических воздействиях структуры, фазового состава, механических свойств и кинетики роста интерметаллических соединений в биметаллической сталеалюминиевой проволоке, полученной прохождением стального сердечника через ванну с расплавом алюминия, может стать научной основой для определения возможных температурно-временных и силовых условий их эксплуатации.

Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках следующих научно-технических программ и грантов:

1. Проект № 2.1.2/573 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2010 гг. «Создание научных основ производства функциональных и конструкционных материалов нового поколения — слоистых интерметаллидных композитов, обладающих уникальными теплофизическими и жаропрочными свойствами»;

2. Грант МК-218.2010.8 Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук на 20102011 гг. «Создание теоретических основ получения нового класса конструкционных материалов - слоистых интерметаллидных композитов с градиентными физико-механическими свойствами».

4

Цель и задачи работы. Повышение прочностных и эксплуатационных характеристик стальных проволок с покрытиями из алюминия и коррозион-ностойкой стали на базе выявления закономерностей формирования и эволюции структуры при различных температурно-временных и деформационных факторах и совершенствования технологии получения.

Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование влияния термо-силовых воздействий на структуру и свойства стальной проволоки, плакированной алюминием.

2. Исследование формирования структурно-механической неоднородности в полученной горячей прокаткой и волочением биметаллической проволоке с покрытием из коррозионностойкой стали и ее эволюции при термическом воздействии.

3. Моделирование напряженно-деформированного состояния в биметаллической проволоке при прокатке и волочении с целью повышения стабильности толщины покрытия.

4. Совершенствование технологий изготовления биметаллических проволок на основе результатов исследования изменения структуры и моделирования процессов деформирования.

Научная новизна работы заключается в раскрытии механизмов эволюции структуры биметаллических проволок со стальным сердечником, плакированных алюминием и коррозионностойкой сталью, в результате температурно-временных и силовых воздействий.

Выявлен характер изменения структуры полученного жидкостным али-тированием алюминиевого покрытия при повышении температуры отпуска, связанный с сопровождающимися выделением дисперсных интерметаллидов процессами распада сформировавшегося при высокой скорости кристаллизации пересыщенного твердого раствора железа в алюминии и растворением железа на границе раздела алюминий сталь, о чем свидетельствует немонотонное изменение параметра решетки и профиля характеристических рентгеновских рефлексов.

Показано, что повышение значений пластических свойств биметаллической проволоки при суммарном обжатии в процессе волочения порядка 80 %, связано с преимущественной ориентацией вдоль оси волочения цементитных пластинок перлита в углеродистой стали сердечника; понижение пластичности при дальнейшем росте обжатия вызывается наклепом ферритной составляющей перлита и дроблением цементитных пластинок.

Практическая значимость. Предложено защищенное патентом РФ № 2463138 на изобретение использование эффекта сверхпластичности в условиях фазового превращения а-» у при производстве биметаллической катанки сталь 45+сталь 12Х18Н10Т, обеспечивающее снижение трудоемкости изготовления биметаллических прутков, высокое качество сварки металла оболочки и сердечника, равномерность распределения металла оболочки относительно сердечника, низкую анизотропию прочностных свойств при изгибающих нагрузках.

Разработан и практически реализован комплексный технологический процесс изготовления из биметаллической проволоки с покрытием из корро-зионностойкой стали пружин, под держивающих фильтрующие рукава саже-газового фильтра, которые после года работы под воздействием саже-газового конденсата в условиях Волгоградского завода технического углерода практически не изменили своих размеров и свойств.

Достоверность полученных результатов при решении поставленных задач обеспечивается использованием современных методов исследования структуры и свойств материалов (оптическая микроскопия - Olympus ВХ61; энергодисперсионный микроанализ - Versa3D DualBeam, рентгеноструктур-ный анализ - ДРОН-3, механические испытания - ИМАШ-9-66, ИР-5140-5) с применением специализированного программного обеспечения и средств компьютерной обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград 2007), всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2008); научно-практических конференциях студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2008, 2013); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (Волгоград 20082012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из них 9 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 1 патент РФ на изобретение, 6 статей в журналах и сборниках, 2 тезиса докладов на научной конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, общих выводов и списка литературы. Ма-

териал изложен на 212 страницах, включая 144 рисунка, 37 таблиц и список использованной литературы из 131 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, раскрыты структура и общее содержание диссертации.

В первой главе на основе литературных данных рассмотрены области применения и основные способы получения биметаллических проволок с коррозионностойкими покрытиями. Приведены существующие данные о формировании в процессе реактивной диффузии алюминидов на границе алюминий-сталь, а также о миграции углерода в композиционных материалах из разнородных сталей. Показано, что важные вопросы, касающиеся трансформации структурно-механической неоднородности в околошовной зоне (ОШЗ) композитов, недостаточно изучены, а имеющиеся сведения разрознены или носят частный характер. Проведен обзор существующих программных комплексов на основе метода конечных элементов, которые могут быть использованы для моделирования деформирования композиционных материалов при различных температурах.

На основе проведенного литературного обзора сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе выбраны материалы, конструкция и геометрические параметры биметаллических проволок с коррозионностойким покрытием систем сталь-алюминий и углеродистая сталь-аустенитная коррозионностой-кая сталь, а также применяемые в исследованиях параметры силового и температурного воздействия на композиты. Описаны используемые методики металлографического, рентгеноструктурного и энергодисперсионного анализов основных слоев и зон диффузионного взаимодействия, определения теп-лофизических свойств, микромеханических испытаний, методы моделирования процессов деформации биметаллической проволоки и способы статистической обработки полученных результатов. Указаны характеристики применяемого исследовательского оборудования.

В третьей главе теоретически и экспериментально исследованы процессы формирования алюминидов на границе раздела сердечника из стали 65Г и алюминиевого покрытия. Вычислено, что при температуре расплава

алюминия 700°С время пребывания локального участка стальной проволоки не должно превышать 20-25 с.

Приведены результаты исследования влияния термо-деформационных воздействий на трансформацию структуры сталеалюминевой проволоки. Показаны структура и микромеханические свойства сталеалюминевой проволоки после алитирования и волочения, а также основные закономерности формирования, температурно-временные зависимости кинетики роста ин-терметаллидного слоя на границе сталь-алюминий при температурах 500 и 600°С. Получены параметры уравнения диффузии, позволяющие прогнозировать скорость роста и толщину интерметаллидной прослойки между сталью и алюминием в исследованной биметаллической проволоке при различных режимах термической обработки и назначать безопасные темпе-ратурно-временные условия технологических и эксплуатационных нагревов: величина латентного периода тл (секунда) до момента обнаружения интерме-таллидов

Тл=1,5Ы0-7.<Д, (1)

где Е3 - энергия зарождения интерметаллидов (Е3 = 130100 Дж/г-моль);

толщина интерметаллидной прослойки у (мкм)

43900

8,1-е » (т-тл) (2)

Исследовано влияния нагревов на микромеханические свойства сердечника и покрытия сталеалюминевой проволоки. Рентгеноструктурные исследования позволили проследить динамику развития отпускных процессов в стальном сердечнике при температурах 200-600°С (табл. 1).

Таблица 1. Содержание углерода и степени тетрагональности мартенсита сердечника из стали 65Г у исходного образца и после отпуска

Температура отпуска, "С Междублетное расстояние Д9, угловые мин Степень тетрагональности с/а Содержание углерода в мартенсите (феррите) с, %

исх 27 1,0187 0,4

200°С 23 1,0140 0,3

300°С 16 1,0093 0,2

400°С 0 1 0,01

500°С 0 1 0,01

600°С 0 1 0,01

Расхождение определенных рентгенографическим методом значений содержания углерода в мартенсите (0,4% С) от результатов химического ана-

лиза сердечника проволоки (0,65 %С) обусловлено, вероятно, протеканием отпускных процессов в проволоке при предварительной термической обработке и при прохождении через ванну с расплавом алюминия, вследствие чего 0,25% углерода выделилось в виде карбидов.

В процессе отпуска при 200-400°С происходили процессы в алюминиевом покрытии, приводящие при рентгенографическом исследовании к искажению профиля линии алюминия (111) и смещению ее центра тяжести, причем характер смещения и величина дублетности не монотонно зависели от температуры отпуска. Сложный характер изменения формы профиля и положения центра тяжести можно объяснить последовательным протеканием нескольких процессов: нагрев при температурах 200-400°С приводил к частичному распаду пересыщенного твердого раствора железа в алюминии, сформировавшегося вследствие высоких скоростей охлаждения алюминия при выходе из ванны расплава, с выделением высокодисперсных частичек алюминида, что привело к практически полному удалению железа из твердого раствора. С повышением температуры до 500-600°С концентрация железа в твердом растворе увеличивалась вследствие растворением железа на границе раздела алюминий-сталь.

Исследовано влияния деформации на кинетику отпускных и диффузионных процессов в изогнутой сталеалюминиевой проволоке. После отпуска при 200°С наблюдалось повышение микротвердости стали 65Г в деформированных и недеформированных участках образцов; с повышением температуры отпуска снижение твердости в результате отпускных процессов и рекристаллизации происходило интенсивнее в сжатой зоне. Обнаружено явление ускорения роста интерметаллидной прослойки в растянутых зонах, вероятно связанное с различной фрагментации оксидной пленки на границе сталь-алюминий, являющейся диффузионным барьером. Снижение влияния деформации на рост толщины диффузионной прослойки при отжиге объясняется рекристаллизацией деформированных участков, перераспределением остаточных напряжений и возрастанием лимитирующей роли транспортных механизмов.

В четвертой главе исследовано влияния термо-деформационного воздействия на трансформацию структурно-механической неоднородности биметаллической проволоки сталь 45+сталь 12Х18Н10Т.

Для биметаллической проволоки сталь 45+сталь 12Х18Н10Т, полученной горячей прокаткой составной заготовки (труба из стали 12Х18Н10Т с наружным диаметром 50 мм с толщиной стенки 2,5 мм и сердечник из стали 45) до

9

0 14,2 мм в 8 проходов с системой калибровки ручьев овал - квадрат и последующим волочением, характерно формирование развитой геометрической неоднородности толщины коррозионностойкого покрытия, которая меняется от 0,15 до 1,5 мм при сплошной без разрывов границе раздела (рис. 1).

Основной причиной образования покрытия неравномерной толщины является неравномерность деформации из-за переполнения калибров на начальной стадии горячей прокатки вследствие неправильного расчета размеров поперечного сечения ручьев валков для использованной заготовки. В тоже время такая заготовка позволяла исследовать

влияние структурно-геометрической неоднородности на процессы миграции углерода при технологических и эксплуатационных нагревах.

После технологических этапов производства, включающих предварительный нагрев, горячую прокатку, нагревы между переходами горячей прокатки и волочение металлографическим способом в структуре сердечника из стали 45 обнаружили квазиэвтектоид сорбитного типа с игольчатыми включениями видманштеттового феррита (рис. 2).

(115

12Х18Н1»Т

Рис. 1. Поперечное сечение биметаллической проволоки сталь 45+сталь 12Х18Н10Т

а б Рис. 2. Видманштетговая структура сердечника из стали 45 (а) и зона обезуглероживания (б) вблизи границы соединения разнородных сталей после патентирования и волочения

Образование видманштеттового феррита связано с перегревом углеродистой стали при нагревах перед горячей прокаткой, а превращения при последующем патентировании перед волочением не сумели устранить эту

структуру. При нагревах под прокатку и волочение углерод вследствие различий в химических потенциалах диффундирует из стали 45 к границе соединения, где вступает во взаимодействие с карбидообразующими элементами (Сг, И), входящими в состав аустенитной стали. В результате углерод выделялся в виде тонкой прослойки карбидов титана и хрома (так называемая «карбидная гряда»), слабо выявляющейся на фоне квазиэвтектоида.

Наличие такой гряды подтверждается проведенным рентгеноструктур-ным анализом, в ходе которого обнаружена одна из модификаций карбида хрома - фаза Сг(Т1)2зСб.Измерения металлографическим методом толщины зоны обезуглероживания после закалки и после отжига показали, что общая толщина измененной зоны составляет 100 мкм, и она включает зоны полного и частичного обезуглероживания. Толщина обезуглероженной зоны практически не зависела от радиуса кривизны границы соединения, т.е. от неравномерности обжатия при прокатке.

При технологических переделах и последующей эксплуатации биметаллическая проволока может подвергаться изгибу, например, при намотке на катушку, поэтому проведены исследования ее поведения при этом виде на-гружения. Влияние деформации изгиба на свойства стали 45 представлено на рис. 3. В центре сердечника микротвердость в деформированных участках (сжатия и растяжения) углеродистой стали ниже на 100-200 МПа (3,3-6,7%), чем твёрдость в недеформированной области.

нчта

4

3,5 3 2,5 2 1,5

■Я,

^ 1

НЧГПа

4

ЗД

3

0,1

0,5

1,0 1,5 Расстояние, мм

а

2,0

г

■Аг У К- 1-ЧР ;» г11

ОД 0,5

0,9 1,3 Расстояние, мм

и

2,0

Рис. 3. Распределение микротвёрдости в поперечном сечении биметаллической проволоки после деформации изгиба: а - область растяжения; б - область сжатия; 1, 2 и 3 - сталь 45; Г, 2\ 3' - сталь 12Х18Н10Т; 1 и Г - е = 0%; 2 и 2' - браст = 5%, есжет= -8%; 3 и 3' - еРаСТ = 13%, еСЖ!гг= -11%

Различия в микромеханических свойствах стали 45 наблюдаются в ОШЗ: в области растяжения твердость выше на 400-700 МПа, а в области сжатия она ниже на 100-400 МПа, чем в недеформированной зоне и это свя-

зано, по-видимому, с различным влиянием растягивающих и сжимающих напряжений на ферритную прослойку.

Проверена возможность повышения прочностных характеристик биметаллической проволоки за счет изменения структуры сердечника при термической обработке, одновременно проверялось влияние предшествующей деформации на процессы структурообразования. После растяжения образец выдерживали при 820°С в течение 6 минут, закаливали в воду и отпускали при 200, 400, 500, 600°С с выдержкой в 1 ч. Микротвердость измеряли на различных расстояниях от зоны максимальной деформации в шейке образца (рис, 4). Проведение отпуска повышает твердость стали 12Х18Н10Т на расстоянии 0,02 мм от границы раздела при уменьшении степени деформации: при 200°С до 4,5-4,6 ГПа; при 400°С - 4,8 - 5,0 ГПа; при 600°С - 4,9 - 5,2 ГПа. При 8 = 5% в стали 12Х18Н10Т увеличивается подвижность углерода и, как следствие, происходит образование карбидов хрома на границе раздела и по границам зерен аустенита коррозионностойкой стали, что согласуется с литературными данными.

НУ, ГПа НУ, ГПа

расстояние от зоны максимальной деформации, мм расстояние от зоны максимальной деформации, мм

а б

Рис. 4. Распределения микротвердости в стали 12Х18Н10Т на расстоянии 0,02 мм от границы раздела (а) и в стали 45 по нейтральной оси (б) после растяжения и последующей ТО: 1 - закалка от 820 °С, 2, 3 и 4 - закалка +отпуск: 2 - отпуск при 200 °С, 3 - 400 "С, 4 - 600°С

Проведено исследование, направленное на установление механизмов упрочнения и накопления поврежденности на основе изучения закономерностей высокотемпературной деформации и взаимодействия микрообъемов основных слоев и переходных зон биметалла в условиях ползучести при температуре 700°С. Механизм деформации микрообъемов основных слоев биметалла сталь 45+сталь 12Х18Н10Т при совместном растяжении идентичен механизму деформации при их раздельном деформировании и характеризуется высокой стабильностью деформированного состояния.

В пятой главе представлены возможные варианты оптимизации методов получения и применение биметаллических проволок.

Исследована возможность получения сваркой взрывом двух типов заготовок: большого диаметра (=50 мм), из которой посредством последующей горячей прокатки должна быть получена биметаллическая катанка для волочения; малого диаметра (12-14 мм), непосредственно являющейся биметаллической катанкой для волочения. Исследование вырезок из краевых верхней и нижней части образца показало удовлетворительную сварку, а по остальной длине образца профиль границы раздела имел мелкие правильной формы волны. Последующая прокатка заготовки и ее волочение подтвердили, что прочность сцепления плакирующего слоя из стали 12Х18Н10Т и стержня из стали 45 удовлетворительная, отслоений и сползаний покрытия не наблюдалось. Таким образом, показана возможность получения сваркой взрывом круглых биметаллических заготовок стали 45+сталь 12Х18Н10Т диаметром 50 мм и длиной 900 мм с долей плакирования 15-25 % и прочностью сцепления слоев не менее прочности исходных материалов.

Для уменьшения величины структурно-геометрической неоднородности и равномерного распределения толщины покрытия вокруг сердечника возможно горячую прокатку первоначально осуществлять по схеме круг-круг, затем по схеме овал-квадрат и окончательно по схеме круг-круг. В связи со сравнительно небольшой вытяжной способностью системы калибров круг-круг прокатка становится непроизводительной. Поэтому дальнейшее деформирование металла производится с применением системы калибров овал-квадрат. После осуществления необходимой вытяжки, с целью получения точных геометрических размеров, окончательное формирование готового биметаллического прутка вновь производится по схеме круг-круг.

Проверка возможности равномерного распределения толщины покрытия вокруг сердечника при прокатке по системе овал-квадрат при правильно спроектированных профилях ручьев проводилась с использованием моделирования процесса методом конечных элементов. Успешная верификация упру-гопластической модели с повышающимися пределами текучести Со,2 при росте пластической деформации слоев и алгоритмов расчетов, положенных в основу программного комплекса SIMULIA/Abaqus позволила использовать их для трехмерного моделирования процесса прокатки биметаллического образца по выбранным переходам. Вращающиеся с заданной угловой скоростью валки принимались абсолютно жесткими с фиксированным

положением осей, расстояние между которыми определяло обжатие композита. Перемещение прокатываемой заготовки производилось за счет сил трения и под действием используемого в прокатных станах натяжения.

Контуры заготовки и распределение суммарных деформаций по осям X, У и Ъ в среднем сечении фрагмента катанки по результатам моделирования показаны на рис. 5-7.

1.70 1.43 1.17 0.90 0.63 0.37 0.10

- -0.17

- -0.43 -0,70

- -0.97

• -1.23

-1.50

Рис. 5. Распределение деформаций РЕх, РЕу и РЕ2 в среднем сечении фрагмента катанки после первого прохода

На втором проходе наблюдалось некоторое переполнение ручьев с выдавливанием части металла в зазоры между буртами калибров, приводящее к увеличению в этой зоне толщины покрытия из коррозионностойкой стали. Однако после третьего прохода овал-круг различия в толщинах покрытия по контуру катанки не превышали 8-10 %.

Рис. б. Распределение деформаций РЕх, РЕу и РЕг в среднем сечении фрагмента катанки после второго прохода

еряг 2.40

БЕ

а:

0.90 0.53 0.15 - -0.22 - -0.60

- -0.97

- -1.35

- -1.72

- -2.10

Я"

Рис. 7. Распределение деформаций РЕх, РЕу и РЕг в среднем сечении фрагмента катанки после третьего прохода

Моделирование процесса прокатки биметаллической катанки сталь 45+сталь 12Х18Н10Т по схеме квадрат-овал-круг при переходе от круглой стали 066 к круглой стали 050 показало, что использование рекомендуемых в технической литературе методов расчета профилирования ручьев валков прокатного стана позволяет достичь достаточно стабильной толщины корро-зионностойкого покрытия.

Предложено защищенное патентом РФ № 2463138 на изобретение использование эффекта сверхпластичности в условиях фазового превращения а—>у при производстве биметаллической катанки сталь 45+сталь 12Х18Н10Т, обеспечивающее снижение трудоемкости изготовления биметаллических прутков за счет сокращения количества проходов при операциях первоначальной прокатки составной заготовки по схеме «круг-круг» и энергоемкости процесса при дальнейшей деформации прокатки, высокое качество сварки металла оболочки и сердечника, отсутствие отслоений металла оболочки при последующих операциях прокатки, равномерность распределения металла оболочки относительно сердечника, низкую анизотропию прочностных свойств при изгибающих нагрузках.

Экспериментально и моделированием поведения элементов исследовано поведение биметаллической проволоки с покрытием из коррозионностойкой стали и сердечника из углеродистой стали с различным содержанием углерода, в процессе волочения, показавшие зависимость эпюр напряжений по поперечным сечениям деформационной зоны от сопротивления деформации материала сердечника, в частности рост продольных и уменьшение радиальных напряжений в направлении от периферии к оси, что не противоречит основным закономерностям процесса волочения монометаллической проволоки.

В процессе волочения биметаллической проволоки с 06,0 на 01,85 мм исследовалось изменение механических свойств проволоки, для чего от па-тентированной биметаллической заготовки, а также от проволок всех диаметров в процессе волочения отбирались образцы для испытания на растяжение. С увеличением суммарной вытяжки пластические свойства биметаллической проволоки (\уш и ур), полученной из патентированной заготовки, снижаются (рис. 8).

При суммарной вытяжке = 6,0 (суммарном обжатии порядка 80 %) наблюдается некоторое повышение значений \|/ш, что связывается с преимущественной ориентацией цемен-титных пластинок в углеродистой стали сердечника биметаллической проволоки вдоль оси волочения. При обжатии более 80 % ферритная составляющая перлита значительно Рис. 8. Изменение механических свойств упрочняется, происходит дробление биметаллической проволоки сталь 45+сталь цеменхитных пластинок, сопровож-

12Х18Н10Т в процессе волочения по мар-

, „ , „„ дающееся понижением пластично-

шруту 6,0—>1,85 мм

сти.

Проведено промышленное опробование возможности использования пружин из биметаллической проволоки с покрытием из коррозионностойкой стали в фильтрующих рукавах в сажегазовом фильтре ФР-3730. Фильтры поставлялись на производство с пружинами из стали 40X13, которые не обеспечивали нормальной работы фильтра до конца межремонтного пробега из-за поломок или потери упругих свойств, что приводило к разрушению соответствующих фильтрующих элементов - «рукавов», содержание сажи в дымовых газах резко возрастало и поток приходилось останавливать в аварийном порядке. Испытания проводились в производственных условиях Волгоградского филиала ООО «Омсктехуглерод» (ранее Волгоградский завод технического углерода). При проведении испытаний в производственных условиях пружины заводского изготовления в процессе капитальных ремонтов были заменены биметаллическими пружинами на ряде действующих горячих рукавных фильтрах ФР-3730. После года работы в сажегазовой среде биметаллические пружины практически не изменили своих размеров и свойств.

Общие выводы

1. Получены температурно-временные зависимости образования интер-металлидов на границе алюминиевое покрытие-сталь в биметаллической проволоке в исходном состоянии и после деформирования, позволяющие

назначать «безопасные» технологические режимы процессов получения и эксплуатации проволоки, не приводящие к возникновению хрупких прослоек. Обнаружено явление ускорения роста интерметаллидной прослойки в растянутых зонах, вероятно связанное с различной фрагментацией оксидной пленки на границе сталь-алюминий, являющейся диффузионным барьером.

2. Металлографические исследования биметаллической проволоки сталь 45+сталь 12Х18Н10Т выявили значительные колебания толщины покрытия из стали 12Х18Н10Т вследствие неравномерности деформации из-за переполнения калибров на стадии прокатки заготовки. Определена структурная и механическая неоднородность в сердечнике из стали 45: в ОШЗ зона обезуглероживания с высоким содержанием феррита, в центре - квазиэвтектоид сорбитного типа с игольчатыми включениями видманштетгового феррита; разность микротвердости после патентирования и волочения между периферией стали 12Х18Н10Т и ОШЗ вблизи границы раздела - 1,4 ГПа, в сердечнике из стали 45 между центром и ОШЗ - 0,85 ГПа.

3. Исследовано влияние деформаций изгиба и растяжения на перераспределение микромеханических свойств локальных объемов сердечника из среднеуглеродистой стали и покрытия. При технологических переделах и последующем использовании проволоки необходимо учитывать, что при деформации более 12% в ОШЗ рядом с границей раздела стали 45 и стали 12Х18Н10Т образуется перепад микротвердости 1,4 ГПа в растянутой области и 2,3 ГПа в сжатой зоне. Механизм деформации микрообъемов основных слоев биметалла сталь 45+сталь 12Х18Н10Т при совместном растяжении идентичен механизму деформации при их раздельном деформировании и характеризуется высокой стабильностью деформированного состояния, выражающейся в закреплении деформации по микрообъемам сплава. Одним из путей устранения параллельно развивающихся процессов упрочнения и накопления поврежденности в микрообъемах является нарушение деформационной стабильности структуры слоев биметалла в процессе деформации.

4. Исследована возможность повышения прочностных характеристик биметаллической проволоки за счет управления структурами сердечника и покрытия в ходе термической обработки, включающей закалку и отпуск при различных температурах. После закалки с 820°С с охлаждением в воде градиент твердости в сердечнике составил 4,0 ГПа вследствие образования в стали 45 мартенсита с резко различным содержанием углерода от центра к обезуглероженной ОШЗ. Увеличение твердости в ОШЗ стали 45 связано с

сохранением относительно небольшого количества углерода. Из-за незначительных отличий растворимости углерода в аустените при нормальной температуре и 820°С проведенная термическая обработка практически не повлияла на изменение микромеханических свойств стали 12Х18Н10Т по сравнению с исходным состоянием.

5. Методом конечных элементов показана возможность приближения контура сердечника из углеродистой стали биметаллической проволоки с покрытием из коррозионностойкой стали к кругу за счет оптимизации параметров горячей прокатки катанки и показано, что в процессе волочения зависимость эпюр напряжений по поперечным сечениям деформационной зоны от сопротивления деформации материала сердечника, в частности рост продольных и уменьшение радиальных напряжений в направлении от периферии к оси, не противоречат основным закономерностям процесса волочения монометаллической проволоки. Результаты моделирования поведения биметаллической проволоки при деформировании были использованы ООО «Энергосервис» (г. Москва) при изготовлении партии проволоки в условиях Волгоградского филиала ОАО «Северстальметиз».

6. Разработан и практически реализован комплексный технологический процесс изготовления из биметаллической проволоки с покрытием из коррозионностойкой стали пружин, поддерживающих фильтрующие рукава сажегазового фильтра, которые после года работы под воздействием саже-газового конденсата в условиях Волгоградского завода технического углерода практически не изменили своих размеров и свойств.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в 18 работах, наиболее значимыми среди которых являются следующие статьи в реферируемых журналах и изобретение:

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Плакирование как метод повышения механических и служебных свойств проволоки / Даненко В.Ф., Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Гурулев Д.Н., Фролов В.И., Булаева С.А., Журавлев М.Н. // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - Вып.1, №3. - С. 138-142.

2. Структурные превращения при нагревах сталеалюминиевой проволоки / Гуревич Л.М., Трыков Ю.П., Даненко В.Ф., Булаева С.А., Арисова В.Н., Овечкина О.В., Фролов В.И. // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - № 10. - С. 52-56.

3. Исследование структурно-механической неоднородности биметаллической проволоки / Трыков Ю.П., Гуревич JIM., Даненко В.Ф., Булаева С.А., Журавлев М.Н., Фролов В.И. // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - № 10. - С. 56-61.

4. Изменение микромеханических свойств биметаллической проволоки при деформировании / Трыков Ю.П., Сергиенко A.C., Гуревич Л.М., Булаева СЛ., Даненко В.Ф. // Известия ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волготрад, 2009. - № 11. - С. 54-57.

5. Кинетика протекания диффузионных процессов в сталеалюминиевой проволоке / Гуревич U.M., Трыков Ю.П., Арисова В.Н., Булаева С.А., Сергиенко A.C. // Известия ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - № 11. - С. 57-61.

6. Влияние волочения на свойства биметаллической проволоки углеродистая сталь -12Х18Н10Т / Даненко В.Ф., Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Булаева С.А. // Сталь. - 2011. -№ 5. - С. 53-57. Steel in Translation. - 2011. - Vol. 41, № 5. - С. 429-433. - Англ.

7. Влияние климатических факторов на коррозионную стойкость сталеалюминиевой проволоки / Гуревич Л.М., Трыков Ю.П., Даненко В.Ф., Арисова В.Н., Булаева С.А., Ра-сулзаде А.Э., Иваненко Е.А. // Известия ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 6 (109). - С. 131-135.

8. О механизме совместной деформации и разрушения биметалла углеродистая сталь + коррозионностойкая сталь / Даненко В.Ф., Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Булаева С.А. // Известия ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машино-

' строении". Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 6 (109). - С. 36-41.

9. Моделирование формирования структурной неоднородности в биметаллической катанке при прокатке / Гуревич Л.М., Даненко В.Ф., Булаева С.А., Писарев С.П. // Известия ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 9 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. - № 9 (136). - С. 11-13.

Прочие публикации

10. Кинетика протекания диффузионных процессов в сталеалюминиевой проволоке / Гуревич Л.М., Трыков Ю.П., Арисова В.Н., Булаева С.А., Сергиенко A.C. // Метизы. -

2010. - К» 1.-С. 30-33.

11. Структурные превращения при нагревах сталеалюминиевой проволоки / Гуревич Л.М., Трыков Ю.П., Даненко В.Ф., Булаева С.А., Арисова В.Н., Овечкина О.В., Фролов В.И. // Метизы. - 2010. - № 1. - С. 34-36.

12. Плакирование как метод повышения механических и служебных свойств проволоки / Даненко В.Ф., Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Гурулев Д.Н., Булаева С.А., Журавлев М.Н., Фролов В.И. // Метизы. - 2010. - № 1. - С. 37-41.

13. Расулзаде, А.Э. Влияние термической обработки на коррозионную стойкость сталеалюминиевой проволоки / Расулзаде А.Э., Булаева С.А. // Тезисы докладов смотра-конкурса научных, конструкторских и технологических работ студентов Волгоградского

гос. технического университета, 14-17 мая 2013 г. / ВолгГТУ, Совет СНТО. - Волгоград, 2013.-С. 77.

14. Изменение структуры при отпуске сталеалюминиевой проволоки / Гуревич Л.М., Трыков Ю.П., Даненко В.Ф., Булаева С.А., Арисова В.Н., Лавров Л.Л., Сергиенко A.C. // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. V всерос. н.-пр. конф., Камышин, 4-6 дек. 2008 г. В 3 т. Т. 1 / КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. - Камышин, 2008. - С. 38-40.

15. Исследование влияния температурно-временных факторов и деформации на физико-механические свойства биметаллической сталеалюминиевой проволоки / Овеч-кина О.В., Журавлев М.Н., Трыков Ю.П., Булаева С.А. // XII региональная конференция молодых исследователей Волгогр, обл., г. Волгоград, 13-16 нояб. 2007 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2008. - С. 186-187.

16. Особенности производства биметаллической проволоки углеродистая сталь+нержавеющая сталь / Даненко В.Ф., Булаева С.А., Журавлев М.Н., Овечкина О.В. // Новые перспективные материалы и технологии их получения. НПМ-2007: сб. науч. тр. междунар. конф., Волгоград, 9-12 окг. 2007 г. /ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2007. - С. 146-147.

17. Пат. 2463138 РФ, МПК В 23 К 20/04. Способ изготовления биметаллических прутков / Даненко В.Ф., Трыков Ю.П., Писарев С.П., Гуревич Л.М., Цюцюра В.Ю., Булаева CA..; ВолгГТУ. - 2012.

Личный вклад автора. В представленных работах, выполненных в соавторстве с научным руководителем и другими исследователями, автором раскрыты механизмы изменения структурно-механической неоднородности в биметаллической проволоке сталь 45+сталь 12Х18Н10Т [1, 3, 6, 12]. Изучены структурные превращения при нагревах и деформировании сталеалюминиевой проволоки [2, 4, 11, 14, 15]. Выявлены закономерности протекания диффузионных процессов в сталеалюминиевой проволоке [5, 10]. Исследовано влияние климатических факторов и ТО на коррозионную стойкость сталеалюминиевой проволоки [7,13]. Рассмотрено влияние термо-силовых воздействий на трансформацию структуры биметалла углеродистая сталь+коррозионностойкая сталь [8, 16]. Разработаны технологии изготовления биметаллических проволок с применением моделирования процессов деформирования [9,17].

Подписано в печать 09.02.2015 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 70.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.