автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка эффективных технологических схем производства фасонных профилей высокой точности

од

На правах рукописи

ФЕДОРШЦЕВ Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРОИЗВОДСТВА ФАСОННЫХ ПРОФИЛЕЙ ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТИ

Специальность 05.16.05 «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1996

Работа выполнена в Московском Государственном вов (Технологическом Университете)

институте стали и спла-

Научные руководители: кандидат технических наук, доцент Трусов В .А. доктор технических наук, профессор Жадан В.Т.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лукашкин НД. кандидат технических наук, старший научный сотрудник Еащенко А.П.

Ведущее предприятие: Череповецкий сталепрокатный завод АО "ЧСПЗ"

Защита диссертации состоится « »_[Ъ_1996 г. в I Очасов на

заседании диссертационного совета К 053.08.02 в Московском Государственном институте стали и сплавов (Технологическом Университете), 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4, ауд. 436.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан « К »_¿1_1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Чиченев НА.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Фасонные профили высокой точности (ФПВТ) относятся к новым видам эффективного металлопроката, применение которых в приборостроении и точном машиностроении обеспечивает повышение коэффициента использования металла до 0,90-0,95. Существующие технологии производства ФПВТ с малой площадью поперечного сечения (до 100 мм2) включают в себя большое число чередующихся операции холодной пластической деформации, термической обработки (рекрнсташшзационного отжига) и подготовительных к деформации операций. Многошпошчиость технологии повышает себестоимость профилей, в ряде случаев ухудшает качество продукции, возрастает глубина обезуглероженного слоя, снижается уровень механических свойств.

Совместное использование скоростных способов на1рева, горячей пластической деформации и регламентированного охлаждения во многом позволяют устранить эти недостатки и расширить возможности производства указанных профилей.

Цель работы. Разработка ресурсосберегающих технологий производства фасонного подката для получения ФПВТ с заданной структурой и свойствами.

Для достижения заданной цели в работе поставлены следующие задачи:

- на основе анализа действующих технологий производства ФПВТ разработать новый технологический процесс с использованием высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) и скоростного метода нагрева;

- выполнить комплекс экспериментальных исследований подтверждающих возможность использования разработанного технологического процесса в промышленности, исследовать влияние параметров нагрева, деформации и охлаждения на микроструктуру и механические свойства профилей о малой площадью поперечного сечения;

- разработать метод расчета технологического процесса производства ФПВТ с заданным комплексом механических свойств;

- создать и провести опытно-промышленную проверку технологии производства подката для ФПВТ с использованием ВТМО н скоростного нагрева,

обеспечивающих получение заданных механических свойств, определить параметры оборудования, позволяющего реализовать предложенную схему.

Научная новизна. Разработан новый способ производства подката для ФПВТ на базе сочетания скоростных методов нагрева, горячей пластической деформации и регулируемого охлажден;« в едином технологическом потоке.

Создан метод и программа расчета технологических процессов производства ФПВТ с заданным комплексом свойств. ,

Формализовано описание взаимосвязи механических свойств конструкционных сталей от технологических параметров процесса.

Практическая ценность работы. Сконструировано и смонтировано оборудование непрерывной термодеформационной пинии (НТДЛ) для производства подката ФПВТ. Проведен расчет основных узлов и механизмов НТДЛ.

Разработана новая схема производства подката для фасонных профилей высокой точности с использованием термомеханической обработки и скоростного электроконтактного нагрева. Определены технологические параметры и режимы производства подката для ФПВТ. Подана заявка на патент.

Создан метод и программа расчета параметров технологического процесса производства фасонных профилей высокой точности.

Получена опышо-промышленная партия металла, показатели качества которого полностью-удовлетворяют требованиям ТУ 14-11-245-88. Улучшены экономические показатели производства

Публикации и апробация работы. Материалы диссертации докладывались

I

на научной конференции студентов и молодых ученых (г. Москва, МИСиС, 1995 г.), на научном семинаре кафедры ПДСС (г. Москва, МИСиС, 1996 г.), на научно-техническом семинаре Омугнинского металлургического завода (г. Омушинск, 1996 г.), на научно-технической конференщш посвященной 85-тц леппо П.И. Полухина (Москва, МИСиС, 1996 г.), на научно-техническом семи: паре "Бершшейновские чтения" (Москва, МИСиС, 1996 г.). Основное содержание диссертации опубликовано в 4 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы (121 наименований) и приложений, Изложена на /4 В страницах, машинописного текста, включаетI^иллюстраций, ¿¿таблиц.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПРОИЗВОДСТВА ФПВТ

Рассмотрение технологии производства фасонных профилей высокой точности с малой площадью поперечного сечения (до 100 мм2), показало, что из горячекатаной заготовки простой геометрической формы (круг, квадрат, полоса) с применением холодной деформации, главным образом волочения, получают высокоточные фасонные профили путем применения н действующих технологических процессах следующего цикла операций: термообработка, травление для удаления окалины, нанесение смазки и остренне переднего конца заготовки, холодную деформацию волочением.

Поскольку при холодной деформации волочением металл получает наклеп и, как следствие, снижается пластичность, то указанный цикл операций повторяется 4-7 раз. Это приводит к увеличению расхода электроэнергии и энергоносителей, снижению уровня механических свойств, повышенной потере металла в окалину, ухудшешпо экологической обстановки (за счет увеличения числа операций травления) и к увеличению себестоимости продукции.

На основании изучения действующих технологических процессов производства ФПВТ выдвинута идея максимально приблизить форму и размеры фасонного подката к готовой форме и размерам профиля. Для этого необходимо прокатку фасонной заготовки осуществлять на поточной линии и использовать пластические свойства металла при горячей деформации с применением ВТМО, что во многом позволяет решить задачу улучшения качества ФПВТ и расширить возможности производства.

Проанализированы априорные данные по результатам применения ВТМО и электротермической обработки для производства проката заданного качества. Требования к показателям качества ФПВТ определяются конкретными условиями эксплуатации той детали, для изготовления которой они предназначены. Основными из них являются: конфигурация поперечного сечения, высокая точность геометрических размеров, состояние поверхности,. глубина сбезуглсро-женного слоя, структура и механические свойства.

Высокая скорость нагрева и малое время нахождения металла при высоких температурах позволяет снизить окалинообразование, уменьшить глубину обезуглероженного слоя. Применение скоростного нагрева в цикле обрабоиси позволяет получил, более выгодное сочетание механических свойств по сравнению с традиционным печным нагревом.

Значительное число осваиваемых и выпускаемых профилей в сочетании со сложностью и ыногосггадийностью их производства заставляет искать эффективные методы разработки новых и совершенствования существующих технологий. Известные методы н критерии выбора технологии производства ФПВТ позволяют принять рациональную схему производства из большого числа возможных. Однако принятые допущения неизбежно ограничивают область применения этих методик. Они не позволяют управлять показателями качества в шйрохих ингервалпх из-за ограниченного диапазона изменения технологических параметров в действующих схемах производства ФПВТ. Практически не учитывается влияние параметров технологии на основные показатели качества, в частности, механические свойства при использовании прогрессивных видов обработки (например, термомеханической обработки).

Для создания и внедрения технологий производства ФПВТ малой площади поперечного сечения с применением непрерывной термодеформационной липни (НТДЛ) выполнены конструкторские разработки оборудования и ряд научных исследований.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проведены на сталях 10, 20, 35, 45 и 65Г промышленной выплавки. Исходное состояние стали дня экспериментов - катанка диаметром 810 мм, прошводимая на стане 280-2 Омутнинского металлурги еского завода (ОМЗ).

Изучение влияния скорости электроконтактного нагрева на структуру стали проводили в интервале скоростей нагрева 10-150 °С/с при температурах нагрева 800 - 1100 «С.

/

Анализ влияния температурных параметров обработки на структуру и ме-

/

хапические свойства конструкционных сталей проводили в указанном интервале температур. Ускоренное охлаждение осуществляли до 350 - 600 °С при степени обжапи 30 % и скорости нагрева 100 °С/с. Влияние деформационных параметров на механические свойства конструкционных сталей изучали при степени обжатия 0 - 40 % и скорости деформации 1 и 8 с '. Все эксперименты проводились с применением оборудования НТДЛ.

Исследование микроструктуры образцов проводили на структурном анализаторе "Эпиквант" в полуавтоматическом режиме. Испытания на растяжение проводили на разрывной испытательной машине 07,-\0190. Измерение твердости по Бринелю проводили по ГОСТ 9013-59.

РАЗРАБОТКА, РАСЧЕТ И СОЗДАНИЕ ЛИНИИ НТДЛ

В основу технологии производства ФПВТ, реализуемой с использованием непрерывной термодеформационной линии, положено последовательное применение в едином технологическом цикле скоростного электроконтактного нагрева, горячен деформации и ускоренного последеформационного охлаждения.

В состав НТДЛ с применением ВТМО входит следующее оборудование: разматыватель с загрузочной консолью, правильно-задающее устройство, установка скоростного электронагрева, прокатные клети, устройство ускоренного охлаждения, правильная машина, ножницы и моталка.

Анализ технико-экономических показателей различных способов термообработки фасонного подката с малой площадью поперечного сечения (до 100 мм2) показал, что применение электроконтактного нагрева (ЭКН) на профилях малого сечения, по сравнению с известными способами позволяет существенно уменьшить габариты и металлоемкость термического оборудования, сократить капитальные затраты на его создание и установку, в широком диапазоне регулировать скорость и температуру нагрева. Расчет удельных энергозатрат показал, что применение ЭКН приводит к их снижению на 610 кВт-ч/г, по сравнению с применяемым на ОМЗ печным нагревом.

Выполнен комплекс исследований и проведена разработка методики расчета установки ЭКН. Установка ЭКН смонтирована по двухплечевой схеме и

включает три контактные клети смонтированные на единой станине. Для устра-

i

нения нарушения контакта (приводящего к искрению) между роликами ЭКН и нагреваемым металлом перед установкой предусмотрено правильно-задающее устройство, осуществляющее правку подката D вертикальной плоскости.

Для осуществления деформации в линии НТДЛ разработаны и изготовлены две прокатные клеш 150 с горизонтальными валками, установленными в цилиндрической станине. Клети имеют гидравлическое нажимное устройство. Обеспечивается точность прокати! до ±0,1 мм.

Рассчитаны параметры установки ускоренного охлаждения, позволяющей проводить посяедеформационное охлаждение подката до температуры 350 -600 °С. Установка, расположенная за прокатными клетями, спроектирована с оборотным циклом водоснабжения и включает две прямоточные водяные и одну противоточную воздушную форсунки. Длина устройства 1,2 м.

Использование особенностей оборудования - возможности быстрого нагрева (до 200 °С/с), высокая степень деформации (до 60 %) и возможность охлаждения от температуры деформации вплоть до температуры хладагента позволяет реализовать на линии схему ВТМО с широким диапазоном изменения температурно-деформацнонных параметров, обеспечив тем самым получение различной структуры и свойств обрабатываемой стали. Линия компакта и имеет следующие габаритные размеры: высота 2,0 м, длина 22,0 м и ширина 2,5 м. Скорость прокатки до 1,5 м/с.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА

КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Результаты экспериментальных исследований влияния скоростного нагрева на crrpyiciypy стали 45 показали, что увеличение скорости нагрева от 10 до 150 °С/с приводит к измельчению аусгенитиого зерна. При скорости нагрева 10 "С/с средний размер'зерна аустенита составил 20 мкм (при нагрер~ до

о

1000 °С), а при скорости 150 "С/с - 6 мкм. Интервал нагрева под прокатку стали 45 приняли 900-1000 °С, что позволяет наиболее полно использовать особенности скоростного нагревадпя измельчения аустешгпгого зерна (рис. 1).

Рис.1. Изменения размера зерна D стали 45 в зависимости от скорости и температуры нагрева;

1-температура нагрева 1100 °С, 2- 1000 "С, 3 - 900 °С, 4 - 800 °С.

На линии НТДЛ прогедено экспериментальное исследование влияния параметров БТМО на формирование структуры и свойств выше указанных кон-егрукциошшх сталей. Интервал температуры нагрева под прокатку выбирали 800-1100 °С, охлаждение проводили до перлитного (600 °С) и бейнитного (350 °С) превращений.

Изучение структуры образцов* после прокатки показало, что во всем исследованном интервале температур, зерно является полностью рекрнстаялнзован-ным. Основным изменением микроструктуры сталей при увеличении температуры обработки, является увеличение среднего размера зерна с ростом температуры нагрева (табл. 1,2),

Получение примерно равноосного зерна при ti=900-l 100 °С и t;=600 °С свидетельствует, что при высоких температурах основным механизмом разупрочнения становится динамическая рекристаллизация, вменяющая субструктуру, созданную в процессе прокатай. .Мелкое зерно обеспечивает впеокий комплекс механических свойств при ti=900 °С (см. табл. 1 -3).

Таблица 1

Микроструктура исследуемых сталей после обработки по

различным режимам

Режим обработки Марка стали Размер зерна, мкм Содержание зернистого перлита. %

12, °С

800 350 ю 22±1,2 -

20 21±1,5 30

35 24±1,4 • 50

45 20±1,2 . 65

600 10 19±1,2 -

20 18±1,2 ' 18

35 20±1,1 30

45 17,5±1,3 45

900 350, 10 24±1,5 -

20 22,5±1,0 35

35 25,5±1,6 65

45 22±1,4 80

10 21±1,4 -

600 20 19,5±1,0 20

35 22±1,4 40

45 18±1,2 50

1000 10 25±1,3 -

350 20 24±1,1 50

35 27±1,2 75

45 24±1,0 90

10 22,5±1,9

600 20 20±1,1 24

35 ■ 23±1,2 45

45 19±0,6 53

1100 350 10 29±1,8 -

20 28±1,1 50

35 30±1,2 75

45 28±1,6 86

600 10 25±1,2 -

20 24±1,2 27

35 • 27±1,1 48

45 22±0,9 55

♦) Примечание: 1| • температура нагрева, 12 • температура охлаждения.

Таблица 2

Характеристика микроструктуры стали 65Г

ti,°c t2,°C Зернистый перлит, балл Пластинчатый перлит, балл Содержание зернистого перлита, %

800 350 4 4-5 80

600 4 4-5 80

900 350 5 5 90

600 4 - 100

1000 350 бейпит - -

600 5 5 100

1100 350 бейшгг - -

600 5 5 50

Таблица 3

Зависимость механических свойств стали 45. от температуры обработки

ti,°C t2,°Ç Ов, МГ1а стт, МПа 6s, % НВ

800 350 760±20 695±20 22±2 223±20

600 700+20 640±20 28±2 207+20

900 350 770+20 670±20 6±2 229±20

600 715±20 665±20 • 29±2 212120

1000 350 755±20 695±20 5±2 226±20

600 695±20 630±20 27±2 207±20

1100 350 750±20 "690±20 4+2 217±20

600 675+20 540±20 24±2 201+20

Изучение структуры показало, что в данных условиях деформации и охлаждения образуется зернистый перлит (табл. 1, 2). Повышение температуры деформации приводит к увеличению доли перлита в структуре. Taie, при ti=800 °С и t2=600 °С в стали 45 она составила 45 % , при t^l 100 °С и t2-600 °С содержание перлита возрастает до 55 %. При 12=350 °С доля перлита больше и она увеличивается соответственно с 65 до 86 % (табл. 1).

Увеличение доли перлита способствует повышению прочностных свойств. Формирование перлитной структуры обусловливает и низкий уровень пластичности. Снижение показателен пластичности при tî=350 °С составило 81,8 % (табл. 3).

j

Микроструктура сталей 20 и 35 отличается от стали 45 меньшим содержанием перлита, но характер изменения среднего размера зерна примерно такой-же. Однако, несмотря на отличия микроструктуры сталей 20 и 35, общая тенденция изменения показателей механических свойств сохраняется, при этом характер изменения механических свойств аналогичен рассмотренному выше изменению св'ойств стали 45.

В результате регрессионного анализа экспериментальных данных получены зависимости показателей микроструктуры конструкционных стрлей от режимов обработки: при tz-600 °С Ai-0,06+0,45A,;

a„i=423,35+0>3o-li(,+ I6)87u+92,65C;

ЧЛ=50,21+0,31ч/о-3,9ц-4,53С; (1)

Si=27,7+0,16So-2,32n-7,8C; НВ|=-98,1 Н-0,4НВо+8,Збц+0,12С; Rai=0,591+0,15Rao;

где: a„i, о„о - предел прочности профиля и подката, МПа; >|/|, уо - относительное сужение, %; 8i, So - относительное удлинение, %; HBi, НВо - твердость; Raí, Rao - шероховатость поверхности, мкм; Ai, До-опслонения размеров, мм; ц - коэффициент вытяжки; С - содержание углерода в стали, %. Исследованная схема ВТМО дкя всех сталей имеет область наиболее мелкодисперсной, однородной микроструктуры и максимума характеристик пластичности при температуре нагрева под прокатку 900-1000 °С при скорости нагрева 100 °С/с. В связи с этим, для получения комплекса свойств конструкционных сталей, обеспечивающего последующее волочение без дополнительной термообработки, температура ускоренного охлаждети не должна быть ниже 600 °С.

Экспериментальными исследованиями установлено влияние деформационных параметров ВТМО на механические свойства конструкционных сталей. Зависимости изменений предела прочности от степени и температуры деформации имеют одинаковый характер (рис. 2). С увеличением степени обжатая до 20 % (сталь 10) показатель предела прочности значительно возрастает, достигая максиму ма и далее незначительно понижается, кривые близки к линейным и

сталь 10

с„МПа

12, —

щ

10 20 30 Е,%

сталь 20

о„,МПа 400

350

{ 2 ■

———

10 20 30 е,%

сталь 35

сталь 45

о»,МПс

600 4 г /А

500 А

у.

о,.МПо 750 700

м

10 20 30 Е,%

10

20 30

дхшгь 65Г,

10 20 30 е, %

Рис. 2. Влияние температурных параметров на предел прочности конструкционных сталей (12=600°С); Ы|=800 °С; 2-1(=900 °С; 3-11=1000 °С; 4-11=1100 °С.

параллельны, что характерно для всего исследованного интервала температур деформации.

Наличие максимума предела прочности у сталей 10 и 20, указывает на протекание процессов разупрочнения по типу динамической рекристаллизации, которые доминируют над процессами деформационного упрочнения, после чего величина предела прочности несколько уменьшается.

С увеличением содержания углерода максимум на кривых смещается в область меньших степеней деформации (рис. 2). Для стали 65Г находится в области 10 %, дня сталей 35 и 45 - 15 %.

Максимальное упрочнение дтя сталей 10, 20 достигается при степенях деформации 20-25 %, для сталей 35, 45 в интервале 15-20 %, длч стали 65Г - 10 %.

Дальнейшее увеличение степени деформации существенно не изменяет предела прочности (о, снижается не более чем на 2-5 %).

Следовательно, с целью сохранения высокой плотности дислокаций, введенных горячен деформацией, ее степень должна соответствовать стадии деформационного упрочнения, выраженной на кривых с-е максимумом предела

\

прочносш (рис. 2).

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволяют определить область температурно-деформационных параметров для исследуемых конструкционных сталей, с целью получения структуры и механических свойств подката ФПВТ, позволяющих проводить последующую холодную деформацию без дополнительной термообработки.

РАЗРАБОТКА МЕТОД А.РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

ПРОИЗВОДСТВА ФПВТ

На первом этапе проводится анализ уровня требований к качеству готового профиля. Анализируются также показатели качества исходного подката (размеры, отклонения геометрических размеров, величина механических свойств и показатели состояния поверхности).

На втором этапе, исходя из возможных способов обработки давлением, определяется вероятное число формообразующих и вспомогательных операций при производстве данного профиля, при этом учитывается наличие технологического оборудования и его производительность. В качестве критериев применимости и целесообразное»! использования данного конкретного процесса обработай металлов (но данным МИСнС и ОМЗ) используются предельные значения основных характеристик профиля (табл. 4).

После оценки каждой из операций, входящих в анализируемый технологический процесс, проверяем целесообразность их последовательности. Нерациональным считаем такое сочетание последовательностей, в которых рассматриваемая операция не может обеспечить производительность следующей. Например, не целесообразна последовательность волочение - холодная прокатка и т.д.

Таблица 4

Система критериев применимости и целесообразности использования способов обработки

Параметры Единица изм. Волочение в монолитной волоке Волочение в роликовой . волоке Холодная прокатка

Площадь поперечного сечения мм3 15-1600 4-1800 50-^500

Минимальный внутренний радиус мм 1,0 0,3 0,3

Минимальный наружный радиус мы 0,3 0,3 1,0

Минимальный диаметр описанной окружности мм 6,0 3,0 10

Минимальная толщина элеме1гга мм 2,5 1,0 1,5

Минимальная масса нар-тин т 0,05-0,1 0,2-2 20

Минимальная шероховатость поверхности мкм 0,2 0,2 0,8

Минимальная величина отклонений геометрических размеров мм ±0,01 ±0,02 ±0,05

Далее производим распределение вьггяжек по проходам, величина которых определяется на основании практических данных, базирующихся на возможности оборудования и пластических свойств самого металла. Определив количество операций деформирования, производим оценку схемы деформации в целом. Более рациональной считаем такую схему, которая рюио-чает в себя минимальное число операций деформирования, обеспечивающих получение готового профиля заданных размеров.

При наличии нескольких схем с одинаковым числом операции деформирования, обеспечивающих получение готового профиля, за оценку рациональности схемы принимаем повторяемость операции. Схемы в которых повторяемость операций выше, при одинаковом их числе, оцениваем как более эффективные, т. к. количество применяемого оборудования минимизируется.

На третьем этапе осуществляется расчет показателей качества (механические свойства, отклонения размеров и шероховатость поверхности)

ФГ1ВТ после каждой операции деформирования. Расчет проводится по регрессионным уравнениям, полученным на основании анализа многолетних экспериментальных данных углеродистых конструкционных сталей. При деформации в монолитной волоке: Д|=-0,15+0,05До;

о.|=360,24+0,43о,а+12,61 ц+32,12С;

4/1=78,2+0,24\|^о-5,Зц-51,12С; .' (2)

б|=31,8+0,25о-2,72ц-1б,44С;

НВ|=-132,84+0,172НВ0+12,17р;

11,1=0,41+0,25Рао,

-при деформации в роликовой волоке: Д|=0,01+0,25До;

сг.|=555,33+0,149в,о+20,02р+39,92С;

у1=60,02+0,122<ро-3,71С; (3)

8|=28,4+0,1015о-2,84ц-3,71 С; НВ|=-95,37+0,364НВо+6,98ц+30,13С; К,1=0,55+0,07К.о,

-при холодной прокатке: Д|=0,02+0,31До;

о„=324,21+0,28о»о+15,34ц+81,35С;

\|/|=40,67+0,15ц/о-2,8ц-3,ЗС; (4)

8|=18,6+0,135о-1,29^-6,60;

НВ1=-105,31 +0,16НВо+10,89ц+0,25С;

^1=0,46+0,1^,0;

Расчет для горячей прокатки проводится по уравнениям (1). Расчет ведется по ходу технологического процесса от подката к готовому профилю. При холодной деформации, вследствие наклепа, происходит увеличение прочностных характеристик и снижение показателей пластичности. На определенной стадии дальнейший процесс холодной деформации становится невозможным. Поэтому при многостадийных процессах возникает необходимость промежуточного от-' жига для восстановления технологической пластичности металла. Проверка необходимости отжига производится и для подката.

Допустимые значения механических свойств, при которых возможна холодная обработка давлением углеродистых конструкционных сталей, зависят от ' содержания углерода в стали и определяются по регрессионным уравнениям :

[о,,]=321,6+1448,4С-1057,5С2-3-|б,ЗСЗ;

[НВ]=162,4-491 ,ЗС+234,5Сг-2196,ОС3; (5)

Н=59-54,8С+47,6С*;

[85]=12,8-И,2С-24,7С2+4,5С'.

Операцию промемсуточного отжига назначаем в случае, если значения пластических свойств у и й3 меньше или равны допустимым [ц<) и [б5], или если значения прочностных свойств НВ и а, равны или превышают допустимые [НВ] и[ов].

После операции отжига механические свойства определяются но уравнениям, полученным в ходе эксперимента: о»=381,46+662,38СМ1,36Сп;

НВ=92,36+89,14С+99.46С2-11,4бСп+0,005п2; (6)

у=82,28-50,53С+6,64Сп-1,35п2; 55=51,27-3,85п-76,63С2+9,28Сп,

где: п-число отжигов в технологическом процессе; С-содержаиие углерода в

стали, %.

Далее по известным .методикам проводится расчет усилия волочения или прокатки.

На четвертом этапе решается задача определения размеров и формы заготовки по проходам. Задача построения контуров заготовки по переходам сводится к решению задачи Дирихле для уравнения Лапласа двусвязной области, методом конечных разностей.

Вытяжку (х(х, у) в двусвязной области находим при условии, что на грани- ■ це исходного подката Г» она равна 1, на границе конечного профиля Г\ - общей вытяжке. Двусвязную область разбиваем прямыми, параллельными координатным осям на ячейки и заменяя уравнение Лапласа на конечно-раэносшое в точках деления, получаем:

(7)

где: а = 1/(Д^Дум )+ 1/(Дх|Дхц), Ь = 1/(Дуя(Ду}+Ду,.1)), & = 1/(/\Л(ЛУ]+Дм)), ц= 1/(Дхм(Дх1|+Дх,)),

с = 1/(Л\|(ДХ!-|+ДхО),

х,, уI - координаты точхн разбиения,

N1, Ы, - число прямых для разбиения области, соответственно по оси х и оси у

(¡=0,1,2, ...,N»^=0,1,2.....Ыу).

Д1ы более точного расчета двусвязную область разбиваем на три зоны по оси Ох (размеры х», х,, х«) и на три зоны по оси Оу (размеры у», у„, ус) (рис. 3).

Рис. 3. Разбиение двуевязной области;

1 • внутренняя точка; 2 - граничная точка; 3 - внешняя точка.

Каждую из таких зон разбиваем соответственно на N»», N», N,c по оси Ох и на Nya, Ny,, N,c по оси Oy. В каждой из таких зон Ак и Ayj постоянны. Вся дву-связная область разбивается на ячейки. Каждая из точек может бьггь трех видов: внутренняя, внешняя, граничная.

Вычисления по формуле (7) проводятся для всех внутренних точек, поэтому для двуевязной области необходимо определять вид каждой точки ячейки. Для текущей точки хт находим точки пересечения прямой х=хш с границами Г0 и Г, области. Пусть это будут точки yi, уги уз, у« (этих точек может и не быть в зонах разбиения первой и третьей). Тогда все точки ячейки меньшие yi и большие у2, а также большие yj и меньшие у«, внешние. Присвоим таким точкам признак, равный -1. Точки, большие yi и меньшие уз, а также большие у< и меньшие уз - внутренние. Присвоим им признак равный 0. Точкам, лежащим на границах Г0 и Г, присвоим признак равный 1. В качестве текущей точки поочередно выбираем все точки xk (k=0, 1, .... N,). NI=NM+NIC. Получаем признаки (0,1 или -1) для каждой точки разбиения двуевязной области.

Решая уравнение (7) методом итераций, находим fij во всех внутренних точках разбиения двусвязной области, ограниченной формой поперечного сечения начального и конечного профилей. Из условия n(x,y)=n*u>nii, находим промежуточные формы поперечного сечения профиля при его волочении. Промежуточные формы поперечного сечения профиля при его волочении (контуры заготовок по переходам) - это линии уровня функции вытяжки, т.е.

Для текущей точки хш, находим ц(хш, yj) такие, чтобы ц(хш, yj S |Лсопл £ ц(*т, yj+i). Вычисляем:

М^Г М (*т,Уj+l)

Уш=й+—---—---;-rte+i-J'j). (8) •

t*(XmJj+d-M(Xm,yj)

Точка (Хт, ут) и есть та точка, в которой ц(хш, ую)= (ioc™i. Для текущей точки хш, таких точек уш может быть две: в "нижней" и "верхней" частях двусвязной области.

В качестве текущей точки поочередно выбираем все точки хж=х,.|+Дх*, к=1, 2.....Nx, хо=0. Для каждой точки х„, находим одну или две точки у«. Совокупность точек (х,,у.) и является линией уровня - контуром поперечного сечения заготовки за один проход. Рассчитанное усилие волочения для каждого значения коэффициента вытяжки сравнивается с допустимым усилием для данного, оборудования. В случае если рассчитанное усилие больше допустимого', производится новый расчет для меньшего значения вытяжки.

Процесс вычислений повторяем для другого значения ц«,^ , получаем" контур поперечного сечения заготовки для следующего прохода и т.д.

ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Приведен анализ существующей на ОМЗ технологии получения подката для производства профилей 40-й и 51-ой групп по ТУ 14-11-245-88 (профили Ма№ 517 и 29 соответственно).

Используя разработанный метод и программу расчета технологических схем, основываясь на результатах экспериментальных исследований, был предложен и внедрен технологический процесс производства профилей № 29 из сга-• ли 45 И профиля №517 из стали 10.

Технологический процесс производства профиля № 29 с применением ВТМО на непрерывной термодеформацнонной линии включает скоростной элекгроконтактный нагрев исходного подката диаметром 8 мм со скоростью 100 °С/с до температуры 900-1000 °С, горячую прокатку с суммарной степенью деформации 60 % и ускоренное охлаждение до температуры перлитного превращения (600±10°С).

Профиль № 29 (51-ой группы), поставляется в нагартованном состоянии с качеством поверхности группы "Б" ГОСТ 1051-73, глубина обезуглероженного слоя не должна превышать 0,08 мм.

Из-за высоких требований к точности геометрических размеров и качеству поверхности, которые нельзя достичь при горячей прокатке, готовый профиль получаем чистовой операцией волочения на стане ВФР-36 мм2, предварительно подвергнув прокат операциям подготовки поверхности.

Технологические схемы существующего и предложенного процесса производства профиля № 29 приведены на рис. 4.

Рассчитаны деформационно-скоростные режимы прокатки. Расчеты на прочность рабочих валков свидетельствуют, что напряжения в наиболее опасных в отношении прочности сечениях валка значительно ниже допустимых. Опытно-промышленное опробование разработанной технологии производства профиля № 29 площадью поперечного сечения 15,75 мм2 из стали 45 в условиях ' Омутнинского металлургического завода показало, что предложенная технологическая схема ВТМО с применением непрерывной термодеформационной линии позволяет получил, достаточный уровень механических свойств для операции чистового волочения на стане ВФР-36 без дополнительной термообработки (табл. 5).

Отклонения размеров готового профиля находятся в пределах допуска на размер профиля (5 класс точности ГОСТ 1051 -85). На поверхности

(а)

(в)

Рис. а • в

. 4. Технологическая схема производства профиля № 29: • действующая технология; б • предлагаемая технология; - эскиз профиля.

Таблица 5

Механические свойства профиля № 29

; Механические свойства

а„МПа | 55, % | | НВ

Действующая технология

Отжиг (1,5 ч., 680±10°С) 730±20 22±3 55±5 213±10

Готовый гоо-филь (ВФР-36) 98б±20 7±2 23±3 285±10

' Разработанная технология

Прокатка на НТДЛ-150 720±20 24±3 5б±5 209±10

Готовый профиль (ВФР-36) 970120 8±2 25±3 272±10

Допустимые значения для волочения

| 756,4 | 17,2 | 43,9 | 211,3

отсутствовали риски, задиры и он полностью удовлетворяет требованиям группы "Б" ТУ 14-11245-88. Глубина обезуглероженного слоя не превысила 0,050,07 мм.

Применение НТДЛ в'процессе производства ФПВТ позволяет, при изготовлении профиля № 29, сократить технологический процесс производства на три операции отжига, две операции подготовки поверхности н три операции волочения.

Расчет экономических показателей технологии свидетельствует, что применение новой технологии позволило сократить расход электроэнергии на 1124 ' кВт-ч на тонну годного при этом снижены потери металла в окалину на 30-35%, величина обезуглероженного слоя снизилась на 20-25 %.

Аналогичные результаты получены для профиля № 517. Таким образом опытно-промышленная технология рекомендована к внедрению.

' ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследована действующая в условиях Омутнинского металлургическо-' го завода технология производства фасонных профилей высокой точности , се-

чением до 100 мм2. Установлен циклический характер рассматриваемой технологии. На основании проведенного анализа предложен новый способ производства для получения подката горячей деформацией с применением ВТМО на непрерывной термодеформационнон линии, позволяющий регулировать структуру и свойства металла.

2. Разработана конструкция и в условиях Омутнннского металлургического завода изготовлено, смонтировано и отлажено оборудование непрерывной термодеформационной линии, включающее установку электроконтактного нагрева, две прокатные клети 150, устройство ускоренного охлаждения. Произведен расчет параметров основных элементов оборудования линии.

3. Проведены экспериментальные исследования, влияния скорости электроконтактного нагрева, влияния, температурных и деформационных параметров прокатки на структуру и свойства конструкционных сталей. Проведена статистическая обработка экспериментальных данных, получены уравнения зависимостей показателей качества от параметров обработки. Анализ результатов экспериментов позвотш определить интервал температуры нагрева под прокатку (900-1000 °С), обеспечивающий формирование наиболее благоприятной микроструктуры и высоких характеристик пластичности для всех исследованных конструкционных сталей (10-45 и 65Г). При использовании полученного подката для последующего холодног о волочения температура окончания ускоренного охлаждения не должна быть ниже 600 ОС.

4. Разработан метод и программа расчета технологического процесса производства фасонных профилей высокой точности, позволяющие прогнозировать показатели качества готовых профилей.

5. На основании полученных экспериментальных зависимостей и с использованием программы расчета, разработан и внедрен технологический процесс производства профилей №№ 29 и 517 (51-ой и 40-ой группы), позволяющий сократить существующий цикл производства на две операции травления, три операции отжига и три операции холодного волочения. Полученные при этом показатели качества готовой продукции соответствуют требованиям ТУ- 14-11245-88.

6. Применение разработанной технологии по сравнению с действующей, позволяет сократить потери металла в окалину на 30-35 %, снизить величину обезуглероженного слоя до 20-25 %, сократить на 1124 кВт-ч расходы электроэнергии на тонну годного, улучичггь экологическую обстановку за счет сокращения операций травления.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Разработка технологических схем производства фасонных профилей (ФПВТ) с заданным комплексом свойств// В.Т. Жадан, В.А. Трусов, B.C. Груздев, Д.А. Федорищев - В сб.: Тез. докл. научно-технического семинара Термомеханическая обработка металлических материалов" - М., 1994, с. 23-24.

2. Исследование структуры и механических свойств стали 65Г при термомеханической обработке с использованием скоростного нагрева// Л.М. Капут-кина, В.А. Трусов, О.В. Урусова, Д.А. Федорнщев - В сб.: Тез. докл. научно-технической российско-германской конференции "Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов". - С.-Пб., 1995, с. 139-141.

3. Расчет эффективных технологических схем производства фасонных профилей высокой точности из конструкционных сталей// В А. Трусов, В.Т. Жадан, Е.В. Сигитов, Д.А. Федорищев -В сб.: Пластическая деформация сталей и сплавов". -М„ МИСиС, 1996,с. 269-275.

4. Жадан В.Т., Трусов В.А., Федорищев ДА. Разработка эффективных технологических схем производства фасонных профилей высокой точности с заданным комплексом свойств// -В сб. Тез. докл. Бернитгейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов. -М., МИСиС, 1996, с. 79-80,

Объем 1 пл., Заказ 149, тираж 100 экз. ■ Типография МИСиС, Орджоникидзе 8/9