автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса производства микропрофильного проката электропластической деформацией

=г:4

На правах рукописи

ЧИЧЕНЕВА Ольга Николаевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА МИКРОПРОФИЛЬНОГО ПРОКАТА ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

Специальность 05.03.05 • «Процессы и машины обработки давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1997

Диссертация выполнена в Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете)

Научные руководители:

кандидат технических наук, профессор ЗАРАПИН Ю.Л.

кандидат технических наук, доцент ПАСЕЧНИК Н.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЛУКАШКИН Н.Д.

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник КАРЕЛИН Ф.Р.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт материалов электронной техники

Защита состоится 22 октября 1997 г. в 10.00 часов на заседании специализированного совета К 053.08 при Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) по адресу: 117936, Москва, Ленинский проспект, 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

■ Автореферат разослан « 18 » сентября 1997 г.

Рправки по телефону: 955-01-27

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

Хлопонин В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие металлургии в настоящее время характеризуется ростом производства материалов и сплавов, которые имеют высокие прочностные и служебные характеристики и которые с точки зрения обработки давлением относятся к труднодеформируемым. К сожалению, возможности практического использования этих материалов часто ограничены их недостаточной пластичностью, что существенно ограничивает применение существующих технологий для изготовления изделий и полуфабрикатов необходимого качества, особенно для производства микропрофильного проката. .

Одним из перспективных направлений обработки давлением труднодеформируемых материалов является электропластическов деформирование, которое заключается в пропускании электрического тока высокой плотности через технологический инструмент и обрабатываемый металл, что позволяет в ряде случаев осуществить пластическое формоизменение металлов и сплавов на воздухе без нагрева. Однако, широкое внедрение прогрессивной технологии одерживается из-за отсутствия надежного оборудования и систематизированных данных по влиянию технологических параметров электропластической деформации на качество готовой продукции.

Поэтому т?ма диссертации, посвященная разработке и исследованию процесса производства микропрофильного проката элэкгропластическим деформированием, является актуальной для теории и практики обработки металлов давлением.

Работа выполнена в соответствии с планами госбюджетных научно-исследовательских работ Московского государственного института стали и сплавов (МИСИС), выполняемых по единому заказ-наряду (темы 3022031 и 3022042) и по конкурсу фантов в области фундаментальных проблем металлургии (темы 3022501 и 3022010).

Цель работы. Исследование основных закономерностей процесса электропластической деформации труднодеформируемых металлов и сплавов и разработка на этой основе ресурсосберегающих технологий производства микропрофильного проката и рекомендаций по совершенствованию конструкции деформирующего оборудования. В связи с этим в работе решались следующие задачи :

1) на основе анализа существующих способов производства микропрофильного проката разработать технологический процесс с использованием электрического тока высокой плотности, пропускаемого через очаг деформации;

2) математическим моделированием исследовать влияние параметров процесса электропластической деформации на распределение температуры по длине прокатываемого материала;

3) выполнить комплекс работ по повышению эксплуатационной надежности оборудования для элекгропластической деформации;

4) провести лабораторные и опытно-промышленные испытания модернизированного оборудования и предложенных режимов электропластической прокатки.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса прокатки ленты с пропусканием электрического тока высокой плотности через очаг деформации, которая состоит из модели определения температуры в ленте вне очага деформации и модели очага деформации. Установлено, что при высоких плотностях электрического тока при расчете температурных полей ленты можно пренебречь удельной мощностью работы пластической деформации и работы сил трения. На основе теоретических исследований получены зависимости максимальной температуры и температуры ленты на входе в очаг деформации от параметров процесса электропластической деформации. Разработана математическая модель процесса подачи электрического тока в очаг деформации, на основе анализа которой дана оценка неравномерности распределения тока по ширине ленты.

Практическая ценность. Результаты экспериментальных и теоретических исследований использованы при разработке режимов электропластической деформации микропрофильного проката из молибдена и вольфрама. Опытно-промышленные испытания показали, что повышается качество микропрофильного проката и выход годного.' Полученные в работе зависимости и установленные закономерности, могут быть применены на практике для разработки технологии электропластической деформации различных труднодеформируемых материалов. На основа анализа условий работы стана электропластической деформации осуществлен комплекс мероприятий по совершенствованию конструкций узлов и механизмов стана, использование -которых позволило повысить их эксплуатационную надежность. Даны практические рекомендации по применению различных схем подвода электрического тока к рабочим валкам.

Публикации и апробация работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 статьях и доложено на расширенном научном семинаре научно-исследовательской лаборатории процессов пластического деформирования и упрочнения МИСИС (февраль 1997 г.), на международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации - 96» (октябрь 1996 г.), на научно-техническом семинаре ВНИИМЕТМАШа (май 1997 г.), на научном семинаре. кафедры машин и агрегатов металлургических предприятий МИСИС (июнь 1996 г.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и содержит /^3 страниц машинописного текста, 3 рисунков, 1 таблиц и список литературы из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса. Цели и задачи исследования.

Труднодеформируемыми металлами и сплавами называют те из них, обработка давлением которых в обычных условиях либо невозможна, либо вызывает значительные трудности. Большую группу труднодеформируемых материалов составляют тугоплавкие металлы и сплавы на их основе, температура плавления которых выше 1535°С -температуры плавления железа. Труднодеформируемыми являются химически активные металлы (например, щелочные металлы), а также стали и сплавы, пластическая деформация которых осуществляется в достаточно узком диапазоне изменения технологических параметров (например, быстрорежущие стали, железокобальтовые сплавы и др.).

В настоящей работе рассмотрены, в основном, вопросы обработки давлением тугоплавких металлов, высокая механическая прочность и твердость которых при высоких температурах позволяет использовать их в качестве жаропрочных материалов. Так, высокая температура плавления и жаропрочность вольфрама и молибдена позволяют использовать их в качестве нагревательных элементов -спиралей, пластин, полос и токоподводов. Вследствие тугоплавкости и низкого давления насыщающих паров при высоких температурах вольфрам служит материалом для нитей накаливания электроламп, а также для деталей металлургического машиностроения, работающих в условиях вакуума и высоких температур. Тугоплавкие металлы облад-чя высокой коррозионной стойкостью и часто являются единственными материалами, которые противостоят воздействию фтористоводородной, соляной, серной и азотной кислот, расплавленных стекол и металлов. Наибольшее применение в качестве плющеных лент в промышленности находят вольфрам и молибден, а также сплавы на их основе. В связи с этим в данной работе сделан акцент на обрабатываемость именно этих материалов.

Горячая обработка тугоплавких металлов и сплавов осложняется высокими температурами их плавления, высокой склонностью к окислению и газонасыщению при повышенных температурах, низкой пластичностью и высокой температурой перехода из хрупкого в пластическое состояние. В настоящее время листы и ленты из" тугоплавких металлов часто изготовляют в производственных условиях на имеющемся прокатном оборудовании. Это ограничивает выпуск необходимых полуфабрикатов и готовых изделий, так как существующее оборудование предназначено для прокатки материалов с меньшим, чем у тугоплавких металлов сопротивлением деформации и при более низких температурах.

Для того, чтобы осуществить высокотемпературную деформацию тугоплавких металлов и сплавов на их основе или максимально затруднить их взаимодействие с активными газами воздуха, требуется создание специальных методов защиты. С этой целью используют оболочки, обмазки, покрытия, а такжо совмещение нагрева в вакууме или в средах регулируемого состава с последующей обработкой на воздухе. Однако на практике применение этих способов вызывает трудности, поскольку в технологический процесс приходится вводить трудоемкие вспомогательные операции (нанесение покрытий или обмазок, их удаление механическим путем или травлением и т.д.), что приводит к резкому увеличению стоимости заготовок и изделий.

В работах отечественных и зарубежных ученых было показано, что наиболее эффективным способом защиты тугоплавких металлов от окисления и газонасыщения в процессах обработки металлов давлением является создание специального оборудования, позволяющего производить все операции - нагрев, пластическую деформацию, охлаждение и термообработку - в вакууме или в средах регулируемого состава. Наряду с этим в нашей стране и за рубежом разрабатываются новые технологические процессы обработки тугоплавких металлов и их сплавов, сочетающие пластическую деформацию с воздействием электрических и магнитных полей, ультразвуковых колебаний и других физических эффектов.

Теоретически и экспериментально показано, что эффективным способом получения прецизионных лент и профилей микронного сечения из труднодеформируемых металлов и сплавов является прокатка (или плющение) с одновременным пропусканием через очаг деформации электрического тока высокой плотности. Однако, из-за сложности протекающих при электропластической деформации физических явлений, в настоящее время не разработана общепринятая теория процесса и не решены некоторые технологические проблемы. Кроме того, внедрение прогрессивной технологии сдерживается из-за сравнительно низкой надежности прокатного оборудования и отсутствия систематизированных данных по влиянию параметров электропластической деформации на качество готовой продукции.

На основании вышеизложенного, в работе поставлена цель исследовать основные закономерности процесса электропластической деформации труднодеформируемых металлов и сплавов, дать рекомендации по совершенствованию конструкции оборудования и на этой основе разработать ресурсосберегающие технологии производства микропрофильного проката.

Математическое моделирование процесса электропластической деформации

Многочисленными экспериментами установлено, что пропускание электрического тока через металл повышает эффективность процессов обработки давлением как за счет нагрева, приводящего к снижению сопротивления деформации и повышению пластичности металла, так и вследствие влияния электрического тока на дислокационную структуру металла. Установлено, что использование эффекта электропластичности представляется особенно перспективным для обработки давлением труднодеформируемых металлов и сплавов.

По мнению ряда авторов, структурные изменения, проходящие при электропластической деформации, позволяют рассматривать

наблюдаемые аномалии пластических свойств с позиций теории сверхпластичности. Доказано, что основной структурной особенностью сверхпластической деформации является массовое «перетекание» зерен при определенных температурно-скоростных режимах. При пластическом формоизменении труднодеформируемых металлов типа' вольфрама или молибдена, полученных методами порошковой металлургии, сохраняется исходная структура на всех этапах их обработки, и поэтому о них можно говорить как о псевдосплавах, состоящих из отдельных мелкозернистых фракций. Действие электрического тока высокой плотности и направленного механического воздействия инициирует массовое перемещение этих фракций без заметной их деформации, что обеспечивает высокую деформируемость материала. При этом возможно как нетермическое, так и термическое действие электрического тока на процесс деформирования. '

Для разработки математической модели процесса элекгропластической деформации и решения практических задач обработки давлением труднодеформируемых металлов и сплавов необходимы надежные экспериментальные данные по их сопротивлению деформации и пластичности в широком диапазоне температур, степеней и скоростей деформации. В теории обработки металлов давлением достаточно широко используется формула, в которой сопротивление деформации представляется в виде произведения термомеханических коэффициентов, учитывающих влияние температуры Т, степени е и скорости 4 деформации.

Применительно к процессам элекгропластической деформации зависимость сопротивления деформации должна быть дополнена множителем, учитывающим влияние электрического тока. Анализ экспериментальных данных, полученных нами и другими авторами, показывает, что при тех режимах, при которых наблюдается эффект элекгропластической деформации, в первом приближении можно считать, что с увеличением плотности электрического тока ^ проходящего через очаг деформации, сопротивление деформации о3

уменьшается по линейному закону. Таким образом, математическая модель сопротивления металлов и сплавов электропластической деформации может быть записана в виде

о8 =а-ек-5пе"тТ-(1-И) (1)

где Ь - эмпирический коэффициент, зависящий от физико-химических свойств обрабатываемого материала, мм'/А; ] - плотность электрического тока, А/мм2.

Для анализа процесса электропластической деформации была разработана математическая модель прокатки ленты с пропусканием электрического тока высокой плотности через очаг деформации. Модель состоит'из двух основных частей: модели определения температуры в ленте вне очага деформации и модели очага деформации.

Основой первой модели является решение одномерного нестационарного дифференциального уравнения теплопроводности с нелинейными теплофизическими -характеристиками, учитывающего внутренние источники энергии за счет омического сопротивления при подводе электрического тока вне очага деформации

при следующих начальных и граничных условиях:

1. В начальный момент времени Т ( у,0) = <р (у);

2. На участках конвективного и лучистого теплообмена с окружающей средой

ЖТ) • = а*. (■То - ТСР) + е ■ ст • [(Т0 + 273)4 - (ТСР + 273)4]

Здесь Т = Т(у, т) - температура в любой момент времени х й произвольном сечении ленты; Т0 - температура поверхности металла; Т«. - температура окружающей среды; х - время; с - коэффициент теплоемкости; X - коэффициент теплопроводности; п - направление градиента температуры; е - степень черноты поверхности; а -коэффициент излучения абсолютно черного тела; ак - коэффициент

конвективной теплопередачи; Яви - удельная мощность внутреннего источника энергии; р - плотность металла.

Уравнение (2) представляли в конечно-разностной форме и . решали методом прогонки. Алгоритм решения задачи реализован на персональном компьютере и позволяет оценить температурное' состояние ленты в любой момент времени. Зависимости теплофизических коэффициентов от температуры определяли при температуре а соответствующих точках из предыдущего момента времени, что не вносит существенных погрешностей в получаемые результаты. Это было проверено путем применения итерационного счета для определения истинных значений теплофизических коэффициентов для исследуемых металлов.

Основу математической модели очага деформации представляет совместное численное решение уравнения (2) с дифференциальным уравнением Кармана, которое в прямоугольной системе координат имеет следующий вид:

(3)

где р» - нормальное контактное напряжение; р - коэффициент Лоде; ц -

коэффициент трения; А = л/Л2 + X1; В = ас - А ; ас - координата центра вращения рабочих валков; х - координата данного сечения; о8 -сопротивление дефррмации, определяемое по формуле (1).

Граничные условия для уравнения (2) имеют вид

Тм= Ток;

Т..Т.:

где индексы "м", "ок" и "в" означают соответственно металл, окалина и валок; цТр - тепло работы сил трения поверхности валка о поверхность окалины.

Удельную мощность внутреннего источника дВн считали равной сумме работы пластической Деформации и выделения тепловой энергии за счет прохождения электрического тока, т.е.

V , И(х + Дх) 2

(5)

где рЕ - удельное электрическое сопротивление материала полосы в рассматриваемой точке, зависящее от температуры Т(х) металла, Ом м.

Удельную мощность поверхностного источника энергии за счет работы сил трения валков о прверхность металла определяли по формуле

Ятр = ц р„ ( V« - / С р, (6)

где \/м и Ч'в - скорость движения металла и валков соответственно, р„ -нормальное давление на контактной поверхности.

Данная математическая модель была применена для анализа процесса электропластической деформации ленты микронных сечений из вольфрама и молибдена. Результаты расчетов позволяют сделать следующее выводы. При определении значения удельной мощности внутреннего источника энергии превалирующая роль принадлежит составляющей, связанной с нагревом полосы за счет прохождения через очаг деформации электрического тока высокой плотности. В связи с этим в алгоритме расчета при вычислении -значения можно не учитывать работу пластической деформации и работу сил трения валков о поверхность прокатываемой ленты.

За счет теплопроводности материала ленты происходит ее нагрев на участке до входа в прокатные валки, причем температура ленты на входе возрастает при уменьшении скорости прокатки и быстро снижается за счет теплоотдачи в окружающую среду до температуры воздуха, которую принимали равной 20°С. После выхода из очага деформации полоса, нагретая до температуры обработки давлением, постепенно охлаждается в результате потерь тепла за счет теплоотдачи в окружающую среду; при этом интенсивность снижения температуры по длине возрастает при уменьшении скорости прокатки и коэффициента

теплоотдачи. Установлено, что физико-механические характеристики готовой ленты можно регулировать в некоторых пределах, изменяя условия теплоотдачи полосы в окружающую среду на выходной стороне прокатного стана: для получения более прочной и жесткой. ленты необходимо вводить дополнительное охлаждение ленты, например, с" помощью обдувки аргоном; для повышения пластических свойств можно рекомендовать установку специальных теплозащитных экранов, снижающих интенсивность теплоотдачи с поверхности ленты.

Показано, что для проведения большинства инженерных расчетов можно не учитывать изменение теплофизических характеристик материала ленты и прокатных валков от температуры.

С использованием методов математического планирования экспериментов получены зависимости максимальной температуры Тмлх и температуры ТВх ленты на входе в очаг деформации от" параметров процесса электропластической деформации. Например, для случая прокатки ленты толщиной 20 мкм из вольфрама

Тмдх = 525 + 5855^ - 5,42-У + 0,35 е + 0,039-еЛ/ - 3075-^ Здесь V/ - мощность подаваемого через валки электрического тока, кВт; V - скорость прокатки, м/ч; е - обжатие, %.

Результаты,, полученные с помощью математической модели, позволили уточнить технические параметры прокатного стана электропластической деформации (расстояния между его узлами, конструкции валков,, скорость прокатки, плотность электрического тока и др.) и разработать рекомендации ло термомеханическим режимам прокатки лент микронных сечений из молибдена и вольфрама.

Совершенствование конструкции стана электропластической деформации

Для проведения экспериментальных исследований проведена модернизация двухвалкового плющильного стана "МАМП" (Рис.).

Стан кафедры МАМП для электропластического деформирования

Распределение температуры по длине ленты

Т

Модернизации были подвергнуты: механизмы смотки и перемещения заготовкЛ-лроволоки; измерительное устройство; механизм раскладки и намотки ленты. Для измерения усилия прокатки было сконструировано электротензометрическое устройство. В механизме смотки заготовки-проволоки электромеханический тормоз был заменен на чисто механический за счет изменения конструкции тормозного узла, что повысило надежность работы механизма смотки при различных скоростях прокатки для разнообразного сортамента. В механизме перемещения, предназначенном для смещения проволоки вдоль прокатных валков с целью максимального использования ширины их рабочей поверхности, изменены размеры роликов и твердосплавная фильера заменена вставкой из упругого пористого материала, что позволило использовать проволоку различного диаметра от 0 до 2 мм. Для обеспечения намотки плющеной ленты шириной до 3 мм механизм раскладки дополнен системой, состоящей из рычага, установленного на оси, и направляющего ролика, закрепленного на рычаге.

Одной из важных проблем при проектировании и эксплуатации стана электропластической деформации является надежность и равномерность подвода электрического тока к ленте. В соответствии с принятой схемой напряжение подведено к валкам прокатной клети через специальные токолодводы. Для двухвалкового плющильного стана МАМП разработана сборная конструкция валка* - на ось из стали 40Х с небольшим натягом (3...5 мкм) установлено кольцо, выполняемое из различных материалов (ВК-15С, ВК-20; Х12Ф1; 5Х2В2С и др.) с разным видом обработки рабочей поверхности. Для охлаждения валка во время работы его ось имеет сквозное центральное отверстие для прохождения воды. Было проработано несколько вариантов исполнения токоподводов: с использованием щеточных токосъемов, колодочный, через контакты качения и по сферическим поверхностям. В результате контакт водо-охлаждаемого токолодвода и валка был осуществлен по притертым с высокой точностью сферическим поверхностям, за счет чего была достигнута высокая стабильность передачи электрического

тока, так как площадь контакта практически не зависит от возникающих при работе стана перекосов токоподводов.

По результатам эксплуатации оборудования можно отметить, что спроектированные узлы и деталей токоподводов обладают достаточной эксплуатационной надежностью.

Для оценки равномерности распределения электрического тока по ширине ленты предложена математическая модель процесса подачи электрического тока в очаг деформации, с помощью которой проанализированы основные схемы одностороннего и двухстороннего прямого и диагонального токоподводов. Показано, что наибольшей неравномерностью обладает конструктивно самый простой односторонний прямой токоподвод; остальные схемы дают близкие результаты. Установлены границы применимости различных схем и даны конкретные рекомендации по их применению.

После модернизации стан МАМП имеет следующие технические характеристики: рабочие валки диаметром 80 мм и длиной бочки 25 мм выполнены из твердого сплава ВК15С, скорость прокатки - до 10 м/мин, напряжение на рабочих валках - до 3 В, электрический ток, подаваемый на валки - до 800 А.

Комплекс проведенных работ позволил расширить технологические возможности стана, осуществлять различные схемы пропускания электрического тока через обрабатываемый материал, измерять силовые и кинематические параметры процесса прокатки, , практически исключить остановки плющильного стана из-за обрыва проволоки, повысить стабильность процесса прокатки, расширить сортамент и уменьшить разнотолщинность получаемой ленты.

Разработка технологии производства микропрофильного

проката из труднодеформируемых металлов и сплавов

Наибольшее распространение в наукоемких технологиях нашли прецизионные плющеные ленты и тонкие катаные ленты (полосы) из

труднодеформируемых материалов. Применение плющеной ленты из тугоплавких металлов и сплавов о различных отраслях промышленности обусловило большое разнообразие требований к ленте, основным т которых является точность геометрических размеров. Однако, обеспечение необходимой точности, особенно микронных сечений, ленты является большой проблемой при плющении на прокатных станах из-за неизбежных перекосов валков, их упругой деформации и биений в подшипниках. Большое влияние на точность получаемой ленты оказывают физико-механические свойства исходной проволоки.

Поверхность плющеной ленты должна быть гладкой и чистой, без расслоений, трещин, закатов, раковин, забоин, рванин, ржавчины, окалины. Наличие перечисленных дефектов зависит от качества исходной заготовки, от состояния поверхности деформирующего инструмента и направляющих деталей проводковой арматуры, от качества технологической смазки (загрязнение твердыми частицами металла и окалины) и от правильного выбора термомеханического режима обработки давлением.

Плющеная лента из вольфрама и молибдена выпускается следующих размеров: толщина II = 0,025...1,6 мм, ширина Ь = 0,12...2,8 мм; точность изготовления по толщине и ширине в зависимости от сортамента составляет ±(0,003...0,010) мм. Технические требования, предъявляемые к плющеной ленте из этих материалов, зависят от конкретной области их применения и, в основном, сводятся к следующему. Лента должна иметь минимальное количество выше перечисленных дефектов и хорошую технологическую пластичность, часто опредепяемую испытаниями на спирализуемость, а также заданный комплекс физико-механических свойств.

В связи с изложенным при разработке технологии изготовления прецизионной и бездефектной плющеной ленты из тугоплавких металлов и сплавов необходимо строго контролировать качество проволоки-заготовки.

Одним из массовых дефектов проволоки из тугоплавких металлов и сплавов является расслой - специфический вид разрушения материалов со слоистой или волокнистой структурой. Расслоения возникают в процессе обработки металла давлением, а также на последующих операциях формообразования (спирализации, гибке и др.)

Экспериментально установлено, что выпускаемая отечественной промышленностью в настоящее время проволока из вольфрама марки ВА группы А при дефектоскопическом контроле имеет 50...70% и даже 100% расслоя. Для предотвращения расслоя можно рекомендовать травление или полировку вольфрамовой проволоки в процессе грубого волочения, введение промежуточных отжигов для формирования равновесной ячеистой структуры и снижения остаточных напряжений, а также введение дополнительного травления на малых диаметрах.

Дефектоскопические исследования исходной молибденовой проволоки показали, что еа поверхность не менее, чем поверхность вольфрамовой проволоки такого же сортамента, поражена микротрещинами. Введение отжига перед травлением позволило добиться снижения расслоя в проволоке, предназначенной для плющения. Результаты дефектоскопического исследования показали значительное снижение дефектности молибденовой проволоки после электролитического травления, если непосредственно перед травлением проведен ее отжиг для снятия внутренних напряжений.

Исследования склонности к расслоению проволоки из вольфрама и молибдена проводили параллельно с исследованием свойств плющеной ленты, в результате чего были определены основные требования к проволоке, обеспечивающие изготовление плющеной ленты требуемого качества. Предельно допустимое количество расслоя в проволоке при дефектоскопическом контроле должно быть не более 10%, для чего она перед плющением должна быть подвергнута электролитическому травлению со съемом поверхностного слоя 10...20 мкм в зависимости от диаметра.

В результате проведенных исследований установлено, что необходимыми операциями при подготовке проволоки к плющению

являются отжиг и последующее электролитическое травление. Назначение первой операции - предотвратить развитие расслоя при травлении; назначение второй - удалить дефектный слой и получить необходимый диаметр (после калибровки проволоки) и чистую без окислов поверхность.

Экспериментальный анализ процесса электропластической деформации проволоки из вольфрама и молибдена проводили на прокатном стане кафедры МАМП. Полученную плющеную ленту подвергали целому комплексу испытаний, который включал определение механических характеристик, измерение микротвердости поверхности, оценку технологической пластичности, анализ макро- и микроструктуры.

По сравнению с обычной прокаткой прохождение электрического тока непосредственно через очаг деформации вызывает заметное снижение временного сопротивления молибденовой плющеной ленты. Например, прокатка при силе тока 500 А с единичным обжатием до 50 % позволяет получить плющеную ленту с временным сопротивлением разрыву, равным исходному (до прокатки).

Установлено, что процесс электропластической деформации идет без окисления поверхности плющеной ленты вплоть до значений плотности электрического тока 600 А/мм', что позволяет получать ленту высокой точности и качества поверхности. Ушурение и вытяжка ленты практически близки к получаемым при холодной деформации.

Анализ показал, что молибденовая плющеная лента из проволоки диаметром ^ 1 мм может быть получена при подаче электрического тока только на рабочие валки прокатного стана. Однако, для молибденовой проволоки большего диаметра и производства вольфрамовой плющеной ленты целесообразно использовать комбинированный способ, например, сочетание электропластической деформации с предварительным нагревом заготовки. При этом электрический ток подают на заготовку не только через рабочие валки в очаг деформации, но и через один из рабочих валков и специальное

токоподводящее устройство, контактирующее с заготовкой перед ее входом в очаг деформации. Предварительный нагрев металла на участке между рабочим валком и токоподводящим устройством обеспечивает повышение пластичности вольфрама, что улучшает условия заправки заготовки в прокатные валки. Кроме того, предварительный нагрев позволяет увеличить скорость прокатки.

Плющение вольфрамовой проволоки комбинированным способом проводили при плотности тока в очаге деформации 500...600 А/мм2, плотности тока предварительного нагрева 30... 10 А/ммг, скорости прокатки 1 м/мин и относительном обжатии 14 %.

Плющеная лента выдержала испытания на спирализуемость при плотности тока j = 600 А/ммг при комнатной температуре; при j = 550 А/мм2 только при нагреве до 500...600°С; при j = 500 А/мм2 лента показала нестабильные результаты. Одновременное повышение прочностных и пластических свойств ленты из вольфрама марки ВА может быть объяснено дисперсионным твердением (старением) из-за выделения на дислокациях дисперсных частиц фаз, образованных примесями и присадками. Увеличение тока предварительного нагрева интенсифицирует в металле процессы возврата, что приводит к снижению прочности, микротвердости и возрастанию числа перегибов, а увеличение плотности тока, подаваемого на валки, стимулирует процессы старения.

Вольфрамовую плющеную ленту размерами 0,5х° 0 мм и 0,38x2,6 мм обычно получают прокаткой с предварительным нагревом заготовки до 900...950°С, единичными обжатиями до 10% и скоростью 8...10 м/мин. С целью повышения точности и качества поверхности плющеной ленты предложены два варианта технологического процесса, сочетающие электропластическую деформацию с предварительным нагревом заготовки. Полученная лента пригодна для применения в качестве катодов генераторных ламп, так как она в дальнейшем подвергается только рихтовке при 900...950°С и алмазной резке.

К особенностям прокатки вольфрамовой проволоки относится также то, что при прокатке в первом и втором проходах со значительным

передним и особенно задним натяжением лента становится настолько хрупкой, что разрушается при съеме с бобины. Вероятно, при переходе от текстуры волочения к текстуре прокатки и при наличии сравнительно высоких растягивающих напряжений в металле возникают значительные остаточные напряжения, приводящие к хрупкому разрушению. Применение метода электропластического плющения показало его высокую эффективность и позволило рекомендовать технологические режимы плющения ряда сплавов.

На основе полученных результатов разработаны технологии получения плющеной ленты из нержавеющей стали 08X18Н10, которая применяется для соединения электродов в кинескопе, размерами 0,08x1,00 , 0,08x1,65 , 0,13x2,00 и 0,33x1,80 мм с предельными отклонениями по толщине ± 0,01 мм и по ширине ± 0,07 мм, временным сопротивлением разрыву 590...680 МПа и относительным удлинением 50...70%. При этом было установлено, что для обеспечения требуемой магнитной проницаемости и структуры ленты в технологический процесс целесообразно введение отжига в проходной водородной печи; это позволило увеличить пластичность ленты и дало возможность изготавливать из нее детали гибкой без трещин и разрывов.

Повышенная жесткость клети плющильного стана позволяет получать прецизионную ленту из электротехнической меди размерами 0,090x0,58 и 0,055x0,46 мм с минимальными предельными отклонениями по толщине от +0,003 мм до -0,0006 мм и по ширине ±0,02 мм. Лента может быть покрыта эмалевой изоляцией с дополнительным механически прочным клеящим слоем, что обеспечивает возможность ее использования для намотки бескаркасных катушек микропроводов.

Современные отрасли науки и техники требуют производства из труднодеформируемых материалов высокоточных профилей микронных сечений в виде квадрата, прямоугольника, таврового типа и других. В настоящее время хорошо разработана технология производства плющеных прецизионных лент с сечением, близким к прямоугольному.

При плющении проволоки на гладких валках, как правило, невозможно получить прецизионную ленту прямоугольного сечения вследствие образования на боковых гранях бочкообразного профиля; поэтому для производства ленты мелких сечений применяют волочение через роликовые волоки. С целью использования одного и того же стана как для электропластического плющения, так и калибровки ленты по ширине автором была рассмотрена возможность прокатки очень мелких профилей в виде квадрата или прямоугольника в системе калибров, нарезанных на валках плющильного стана кафедры МлМП.

Для разработки технологии прокатки профилей микронного сечения использована система автоматизированного проектирования калибровок валков сортовых прокатных станов, разработанная в МИСиС на кафедре ПДСС. В качестве модельного материала была выбрана круглая проволока диаметром 2,5 мм из сплава Пср72, предназначенная для получения прямоугольного профиля сечением 1,1x1,2 мм. В результате расчетов была разработана калибровка валков, в основу которой положена система "шестиугольник-квадрат" и которая учитывает конструктивные особенности стана МАМП и технологические свойства прокатываемого материала.

После прохода в шестиугольных калибрах раскат кантовали на 90°, а в квадратных - на 45°; чистовой проход проводили на гладкой бочке. Эксперименты показали, что поскольку длина очага деформации (диаметр валка 80 мм, а максимальный диаметр заготовки 2,5 мм) имела значительную протяженность, то при обжатии заготовки без пропускания электрического тока высокой плотности через очаг деформации наблюдалось преимущественное течение металла в уширэние, что приводило к появлению дефектов на готовом изделии. Пропускание электрического тока плотностью ] = 10...20 А/мм2 позволило существенно увеличить вытяжку за счет повышения пластичности сплава и изменения условий трения в очаге деформации и получить высококачественные изделия.

Полученные результаты были использованы при расчете калибровки валков для изготовления профиля таврового типа в закрытом калибре. Опытно-промышленные испытания показали, что прокатанная на стане электропластического плющения в указанном калибре микропрофильная заготовка по своим геометрическим размерам и физико-механическим свойствам полностью удовлетворяет требованиям нормативно-технической документации

Таким образом, подтверждено, что электропластическая деформация имеет большие перспективы для прокатки в калибрах мелких профилей из труднодеформируемых металлов и сплавов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса прокатки ленты с пропусканием электрического тока высокой плотности через очаг деформации, которая состоит из модели определения температуры в ленте вне очага деформации и модели очага деформации.

2. Математическим моделированием получены новые данные о влиянии параметров процесса эпектропластической деформации на распределение температуры по длине микропрофильного проката из труднодеформируемых металлов и сплавов.

3. Установлено, что для вольфрама и молибдена при плотности электрического тока ) 2 50 А/мм2 при расчете температурных полей можно пренебречь удельной мощностью работы пластической деформации и работы сил трения.

4. На основе теоретических исследований получены зависимости максимальной температуры и температуры ленты на входе в вапки от параметров процесса электропластической деформации, которые могут быть использованы для регулирования температурного режима ленты.

5. Разработаны рекомендации по совершенствованию конструкций токоподводящих устройств и механизмов смотки и намотки, применение которых позволило увеличить их эксплуатационную

надежность на 20...50% и сократить простои стана электропластической деформации при производстве плющеных лент микронного сечения.

6. Разработана математическая модель процесса подачи электрического тока в очаг деформации, на основе анализа которой дана оценка неравномерности распределения тока по ширине ленты и сделаны практические рекомендации по применению различных схем подвода электрического тока к рабочим валкам.

7. С использованием полученных зависимостей и рекомендаций разработана технология получения микропрофильного проката из вольфрама и молибдена с пропусканием электрического тока высокой плотности через очаг деформации, опытно-промышленные испытания которой показали, что ее применение обеспечивает повышение выхода годного на 10... 15% при одновременном повышении качественных показателей плющеной ленты.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Чиченева О.Н, Зарапин Ю.Л. Сопротивление деформации металлов при электропластическом формоизменении // Известия вузов. Черная металлургия. 1995. N3. С. 17-19.

2. Чиченева О.Н., Зарапин Ю.Л., Савченко B.C. Математическая модель процесса электропластической прокатки II Известия вузов. Черная металлургия. 1995. N5. С.32-34.

3. Зарапин Ю.Л., Чиченева О.Н., Шишко В.Б. Производство микропрофильного проката из труднодеформируемых металлов электропластической деформацией // В кн. «Пластическая деформация сталей и сплавов». Сб. Научных трудов МИСиС. - М.: Металлургия, 1996. - с. 275 - 280.

4. Бурлаков А.И., Зарапин Ю.Л., Чиченева О.Н., Шишко В.Б. Получение микропрофильного проката из цветных металлов электропластической деформацией// Цветные металлы. 1997. №5. С.65-68.