автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка конкурентоспособной технологии производства проволоки высокой прочности для армирования автомобильных шин

На правах рукописи

005532365

Столяров Алексей Юрьевич

РАЗРАБОТКА КОНКУРЕНТОСПОСОБНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 9 АВГ 2013

Магнитогорск - 2013

005532365

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор

Харитонов Вениамин Александрович.

Официальные оппоненты: Юсупов Владимир Сабитович,

доктор технических наук, Государственное учреждение «Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова» РАН, г. Москва, заведующий лабораторией;

Соколов Александр Алексеевич, кандидат технических наук, ОАО «Магнитогорский метизно -калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ», начальник центральной заводской лаборатории.

Ведущая организация - Институт цветных металлов и

материаловедения Сибирского федерального университета, г. Красноярск.

Защита состоится 17 сентября 2013 г. в 15-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина 38, МП У, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан « ~f~ » августа 2013 г.

Учёный секретарь л V/

диссертационного совета <fL/$ tfQpCtâtnmvao*

. /(Л. Ûu-J^^^ Валентин Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Увеличение средней скорости передвижения, рост цен на топливо, повышение требований к безопасности автоперевозок привели к необходимости использования автомобильных шин с более жесткими требованиями по ходимости, массе, дисбалансу, потерей на качение и т.д. Для обеспечения указанных технических характеристик современные металлические армирующие материалы для шин - металло-корд и бортовая проволока, должны выдерживать, в первую очередь, высокую разрывную нагрузку при минимальной массе погонного метра. В настоящее время всё большее применение находят армирующие материалы группы прочности «НТ» (2800 - 3200 Н/мм2), для изготовления которых необходима высокопрочная проволока. Производство такой проволоки требует применения заготовки с высоким содержанием углерода, изменения режимов волочения, патентирования и других операций. При этом необходимо добиваться снижения затрат на изготовление проволоки. В связи с чем, разработка и внедрение в производство конкурентоспособных технологических процессов изготовления высококачественной высокопрочной проволоки для изготовления армирующих материалов автомобильных шин является актуальной задачей.

Цель работы: разработка и внедрение научно обоснованных конкурентоспособных технологических процессов производства проволоки высокой прочности для армирующих материалов автомобильных шин.

Указанная цель реализуется путём решения следующих задач:

- разработка методики расчёта режимов волочения высокоуглеродистой проволоки на основе выбора и использования критерия разрушения и оценки влияния фактора формы очага деформации на её разрушение;

- исследование характера течения металла в приповерхностном слое при волочении, оценка влияния факторов волочения на его глубину и разработка практических рекомендаций для расчёта режимов деформации тонкой латунированной высокопрочной проволоки под металлокорд;

- разработка и реализация промышленной конкурентоспособной технологии производства высокопрочной проволоки для армирующих материалов автомобильных шин в условиях ЗАО «Уралкорд» (г. Магнитогорск).

Научная повизиа работы:

- разработана оперативная методика оценки разрушения проволоки при волочении с использованием критерия разрушения M.G. Cockcrofl -D.J. Latham;

- определены условия разрушения центральных слоев проволоки при волочении в монолитных волоках в зависимости от значений фактора формы очага деформации;

- определён характер течения металла при волочении в приповерхностном слое на границе раздела «деформируемый материал - инструмент».

Теоретическая значимость работы

Разработана методика расчёта режимов деформации высокоутлеро-дистой проволоки на основе определения критического значения критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham, учитывающая влияние фактора формы очага деформации на разрушение и характер течения металла в приповерхностном слое при многократном волочении в монолитных волоках. Методика универсальна и может быть использована при расчёте режимов деформации при волочении проволоки из различных марок сталей и сплавов.

Практическая значимость работы:

- численно рассчитаны предельные значения критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham для катанки из стали марок 80 и 85;

- разработаны рекомендации по определению режимов волочения проволоки в монолитных волоках, учитывающие глубину слоя дополнительной сдвиговой деформации.

Степень разработанности

Результаты исследований внедрены в производство в виде технологических схем и режимов операций изготовления проволоки для армирующих материалов автомобильных шин высокой группы прочности.

Методология и методы исследований

Для решения поставленных задач использовались методы определения физико-механических свойств катанки и проволоки по стандартным методикам. Определение характера напряжённо-деформированного состояния металла проводилось с использованием программного комплекса «DEFORM» (лицензия: Machine 38808). Металлографические исследования микроструктуры образцов проволоки проводились с помощью оптической и электронной микроскопии. Расширенные опытно-промышленные испытания проводились в условиях действующего производства на оборудовании ЗАО «Уралкорд» (г. Магнитогорск).

Положения, выносимые на защиту:

- оперативная методика определения предельной деформируемости высокоуглеродистой катанки при волочении проволоки на основе критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham;

- результаты исследования разрушения высокоуглеродистой проволоки в зависимости от фактора формы очага деформации и коэффициента трения;

- результаты исследования характера течения металла в приповерхностном слое на границе раздела «деформируемый материал - инсгру-

мент» в зависимости от фактора формы очага деформации и коэффициента трения;

- промышленный конкурентоспособный технологический процесс изготовления высокопрочной проволоки для армирующих материалов автомобильных шин в условиях ЗАО «Уралкорд» (г. Магнитогорск).

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена большим объёмом выполненных экспериментов с использованием стандартных методов исследования физико-механических свойств исследуемых материалов, использованием программного комплекса «DEFORM» (лицензия: Machine 38808), использованием статистических методов анализа данных результатов исследований. Выводы базируются на современных достижениях теории волочения проволоки, не противоречат её положениям и сопоставлены с данными других исследователей.

Апробация работы

Основные положения работы обсуждены на VI международном конгрессе прокатчиков (г. Липецк, 2005 г.), Международной научно-технической конференции ГОУ ВПО ЧГУ «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (г. Череповец, 2005г.), VIII Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (г. Москва, 2013 г.), ежегодных научно-технических конференциях МГТУ им. Г.И. Носова в 2006 -2010 гг. (г. Магнитогорск).

Публикации

Результаты работы отражены в монографии, 9-ти статьях, в т.ч. 7-ми статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объём работы

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 156-ти наименований. Общий объём диссертации 118 страниц машинописного текста, в том числе 28 рисунков, 14 таблиц и 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена цель работы и задачи исследований, показана её актуальность, теоретическая и практическая значимость, научная новизна, степень достоверности и разработанности.

В первой главе проведён анализ современного состояния и направлений развития производства проволоки для армирующих материалов автомобильных шин в нашей стране и за рубежом. Проведена оценка влияния операций технологического процесса на свойства готовой продукции и затраты на её изготовление. Обосновано применение модели M.G. Cockcroft - D.J. Latham для расчёта предельной степени деформи-

руемости катанки при волочении в монолитных волоках. Рассмотрено влияние поверхностного слоя на условия волочения тонкой проволоки. Сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе разработана методика расчёта режимов волочения проволоки на основе критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham (далее по тексту С). Предельное значение критерия С для выбранной стали марки 80 было определено расчётно-экспериментальным способом, заключающимся в растяжении образцов с проточкой до разрушения и моделировании эксперимента. Для каждой серии образцов с проточкой определённой формы (d0 - диаметр в минимальном сечении, R - радиус кривизны) в момент разрушения были получены значения удлинения 8 и диаметра в минимальном сечении проточки после разрушения - dp. В программной среде «DEFORM» рассчитаны интенсивность деформаций е„, продольное растягивающее напряжение сп и критерий разрушения С (таблица 1).

Таблица 1- Экспериментальные данные и результаты моделирования растяжения образцов с проточкой для стали марки 80

№ серии d„/R Показатели пластичности по результатам испытаний на растяжение Результаты моделирования в «DEFORM»

5,% Л = 2л/31п^-<*р Ol, МПа е„ С

1 0,95 1,80 0,53 1730 1,39 2,37

1,02 1,70 0,66 1710 1,35 2,31

0,95 1,70 0,69 1730 1,39 2,37

Средн. 0,97 1,73 0,63 1723 1,38 2,35

2 1,19 2,00 0,28 1730 1,37 2,34

1,25 1,90 0,58 1740 1,32 2,31

1,19 2,00 0,28 1730 1,37 2,34

Средн. 1,21 1,97 0,38 1733 1,35 2,33

3 1,54 2,20 0,23 1740 1,26 2,27

1,56 2,15 0,45 1750 1,30 2,35

1,43 2,20 0,23 1720 1,21 2,19

Средн. 1,51 2,18 0,31 1740 1,26 2,27

Среднее значение по всем сериям испытаний, С 2,32

Предельное значение критерия, СП1)= 0,7-С 1,62

Для оценки влияния параметров процесса на величину критерия С было проведено компьютерное моделирование однократного волоче-

ния. При этом оценивалось влияние формы очага деформации Д (далее по тексту ОД) и коэффициента трения для различных групп диаметров на величину главного продольного напряжения ai, среднего напряжения а, критерий С. Все результаты исследований подтверждены анализом механических свойств холоднодеформированной проволоки.

Установлено, что в «рабочей » области значений 1,2 < Д < 2,0 критерий С определяет вероятность образования трещин и разрывов на оси проволоки. В области значений Д < 1,2 (в «удлинённом» очаге) величина критерия С незначительно зависит от изменения Д по причине высоких значений растягивающих напряжений Ст| на оси проволоки. В данном случае более наглядно вероятность образования центральных разрывов определяет отношение величины максимального растягивающего напряжения Oi к интенсивности напряжений. В области значений Д > 2,0 (в «укороченном» очаге) критерий С имеет меньшее абсолютное значение по сравнению с областью значений Д < 2,0. Однако при этом значения среднего напряжения а в исследуемой области выше. Это объясняется низкой интенсивностью деформации при волочении в «укороченном» очаге. Увеличение коэффициента трения приводит к повышению значения критерия С в большей степени в «удлинённом» ОД.

Увеличение величины единичного обжатия приводит к возрастанию риска образования центральных трещин и надрывов на проволоке, поэтому для повышения равномерности пластической деформации целесообразно уменьшать угол рабочей зоны волочильного инструмента.

Разработанная методика расчёта режимов волочения проволоки на основе критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham включает следующие этапы:

1) выбор заготовки (катанки) для волочения;

2) подготовку образцов с проточкой определённой формы;

3) испытание образцов на растяжение до разрушения, определение значения относительного удлинения в момент разрушения (момент изменения угла наклона кривой «деформация - напряжение») по перемещению захватов испытательной машины;

4) моделирование в программной среде «DEFORM» испытания на растяжение. Определение значения критерия М.О. Cockcroft D.J. Latham С на оси проточки образца, соответствующее моменту разрушения и расчет предельного значения критерия Спр = 0.7С;

5) расчёт маршрута волочения катанки до необходимого диаметра. Величины единичных деформаций принимаются для соответствующих условий волочения, а также с учётом особенностей оборудования и сложившейся практики. Определяется угол волочильного инструмента, обеспечивающий значение фактора формы ОД 1,20<Д< 2,0;

6) моделирование в программной среде «DEFORM» процесса многократного волочения катанки и расчёт фактического значения критерия Сф на оси проволоки для каждого прохода;

7) если фактическое значение критерия Сф не превышает предельного значения Спр, то расчёт считается законченным и маршрут волочения принимается в работу;

8) если фактическое значение критерия Сф превышает предельное значение, то определяются проходы, где приращение Сф максимальное. На данных проходах уменьшается угол волочильного инструмента и расчёт производится по выше описанной схеме п.6 - п.8. Снижение угла волочильного инструмента допускается до значений Д = 1,20.

Если после предпринятых действий Сф не превышает Спр, то расчёт считается законченным и маршрут принимается в работу.

9) если Сф превышает Спр, то выбирается катанка другого поставщика, либо катанка с другими свойствами и расчёт повторяется;

10) если после предпринятых действий по выбору катанки и корректировки режимов деформации фактическое значение критерия Сф превышает С„р, то для данного диаметра назначается операция промежуточного патентирования.

В третьей главе проанализирован характер течения металла в приповерхностном слое на границе раздела «проволока - волочильный инструмент» в зависимости от условий волочения. Задача решена с помощью программного комплекса «DEFORM»: в качестве заготовки для волочения взята проволока с фактической шероховатостью (микрогеометрией) поверхности на выбранном участке L очага деформации длиной I (рисунок 1). Для анализа характера течения металла в приповерхностном слое был выбран показатель сдвиговой составляющей компоненты деформации eRZ = dZ/R. Направление осей Z и R в координатах программного комплекса «DEFORM» показано на рисунке 1.

На рисунках 2 и 3 показаны, соответственно, зависимости распределения enz по десяти точкам PI - PIO от шага процесса, т.е. изменение Erz по длине очага деформации / с учётом шероховатости поверхности протягиваемой заготовки и €rz без учёта шероховатости.

По максимальным значениям eRz и Erz* в каждой из точек PI - PIO были построены графики зависимости распределения максимальной деформации сдвига от поверхности очага деформации к центру (см. рисунок 4).

Направление волочения

Рисунок 1 - Модель заготовки и инструмента для волочения:

1 - фотография поверхности проволоки на участке L;

2 - заготовка с фактической шероховатостью поверхно

сти;

3 - инструмент; 4 - участок поверхности с точками Р1

Р10

Рисунок 2 - Зависимость екг от относительной координаты z/l по длине ОД для каждой из десяти точек (Р1 - Р10) без учёта фактической шероховатости поверхности заготовки

Рисунок Зо- Зависимость eRZ* от относительной координаты z/l по длине ОД для каждой из десяти точек (Р1 - Р10) без учёта фактической шероховатос350ти поверхности заготовки

Точки Р1-Р10 вдоль оси R

Рисунок 4 - Распределение сдвиговой компоненты деформации от поверхности проволоки к центру по точкам Р1 —Р10 вдоль оси R с учётом фактической шероховатости eRZ и без учёта шероховатости поверхности заготовки eRZ*

Таким образом, после волочения «шероховатой» заготовки для точки PI было выбрано максимальное значение cBZ по оси Z, затем максимальное значение Erz было выбрано для точки Р2 и т.д., двигаясь по оси R от поверхности к центру. Аналогично были определены максимальные значения Erz* для заготовки без учёта шероховатости.

Таким же образом была проведена оценка распределения компоненты сдвиговой деформации по всей длине контактной поверхности /. Получены данные по средней глубине слоя проникновения дополнительной сдвиговой деформации в относительных координатах программного комплекса «DEFORM», который составил =10 Rz - высоты микронеровности профиля деформируемой заготовки, что соответствует в среднем 20 - 40 мкм для поверхности проволоки с шероховатостью Rz = 2

- 4 мкм. Установлено, что глубина слоя дополнительной сдвиговой деформации остаётся практически постоянной, и при рассмотренных условиях её значение не зависит от коэффициента трения и фактора формы ОД.

Разницу между значениями sRZ и екг , показанную на рисунке 4, можно считать величиной дополнительной деформации сдвига, которая возникает в поверхностном слое при волочении. В точке Р10, когда значения eRZ и eRz становятся одинаковыми по величине, можно говорить о затухании дополнительной сдвиговой составляющей деформации от поверхности к центру или о толщине слоя дополнительной сдвиговой деформации.

При глубине слоя 20 - 40 мкм при волочении тонкой проволоки диаметром 0,15 - 0,35 мм доля металла в ОД, находящегося под действием дополнительных сдвиговых деформаций, достигает 0,4 - 0,5. Это способствует повышению пластических свойств тонкой высокопрочной латунированной проволоки и позволяет осуществлять операцию тонкого волочения в «укороченных» очагах, что уменьшает деформационный разогрев проволоки и снижает потери латунного покрытия.

Получены практические рекомендации для волочения тонкой высокопрочной латунированной проволоки под металлокорд:

- кратность волочильного оборудования выбирается, исходя из величины единичной деформации, которая не должна превышать 12 - 15 %;

- обжатия на последних протяжках выбираются равными 8-10 %;

- фактор формы очага деформации принимается равным Д = 2 - 4;

- скольжение проволоки на шкивах волочильного стана на последних протяжках выбирается минимальным;

- обеспечивается интенсификация подачи смазки в очаг деформации и системы охлаждения проволоки на выходе из чистовой волоки.

В четвёртой главе приводятся данные по практической реализации промышленной конкурентоспособной технологии производства высоко-

прочной проволоки для армирующих материалов автомобильных шин в условиях ЗАО «Уралкорд» (г. Магнитогорск).

На основании анализа требований к современным армирующим материалам для автомобильных шин разработаны технические условия на металлокорд - ТУ 1257- 003 - 51485720 - 2009 «Металлокорд для шин», бортовую бронзированную проволоку ТУ 1221- 005 - 51485720 - 2006 «Проволока стальная бронзированная для бортовых колец шин и определены требования по прочности к тонкой латунированной высокопрочной проволоке для изготовления металлокорда в зависимости от диаметра: «0,200 мм» - 2700 - 3100 Н/мм2; «0,245 - 0,265 мм» - 2700 - 3100 Н/мм2; «0,300 - 0,350 мм» - 2900 - 3500 Н/мм2.

Для каждой подгруппы диаметров проволоки были определены диаметры патентированной заготовки и содержание углерода в стали:

- для диаметра проволоки 0,200 мм - диаметр заготовки 1,140 мм;

- для диаметров 0,245 - 0,265 мм - диаметр заготовки 1,350 -1,500 мм;

- для диаметров 0,300-0,350 мм - диаметр заготовки 1,650- 1,750 мм.

Для обеспечения необходимых прочностных и пластических свойств

тонкой латунированной проволоки были определены технические требования к высокоуглеродистой катанке с содержанием углерода в стали 0,80 - 0,85 %. Совместно с производителями были разработаны технические соглашения на поставку опытных партий катанки. Поставщики, обеспечивающие требуемый уровень качества катанки, были внесены в «Перечень одобренных поставщиков сырья и материалов для ЗАО «Уралкорд».

При разработке технологического процесса грубо-среднего волочения «светлой» заготовки группы диаметров «1,14 мм», «1,35 - 1,50 мм» и «1,65 - 1,75 мм» использовали методику определения предельной деформируемости катанки диаметром 5,50 мм с содержанием углерода 0,80 - 0,83 % без операции промежуточного патентирования, т.е. определяли режимы деформации катанки до разрушения (предельного значения критерия Спр).

В качестве примера показатели деформации и значения критерия С при волочении высокоуглеродистой катанки диаметром 5,50 мм на проволоку 1,65 мм приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Показатели деформации и значение критерия С при волочении катанки диаметром 5,50 мм на проволоку диаметром 1,65 мм

Номер протяжки Показатели процесса деформации при волочении С

£ Д

1 0,20 12 1,88 0,12

2 0,20 12 1,88 0,31

3 0,20 12 1,88 0,47

4 0,20 12 1,88 0,63

5 0,19 10 1,66 0,78

6 0,19 10 1,66 0,91

7 0,19 10 1,66 1,01

8 0,19 10 1,66 1,17

9 0,16 8 1,60 1,23

10 0,17 8 1,50 1,29

11 0,16 8 1,60 1,36

12 0,12 6 1,64 1,39

Предельное значение критерия С„р 1,58

При исследовании режимов термической обработки заготовки было установлено, что при прочих равных условиях, увеличение скорости движения проволоки в ванне изотермической выдержки повышает комплекс её механических свойств за счёт повышения коэффициента конвективного теплообмена между проволокой и расплавом свинца. Для достижения необходимого уровня прочностных и пластических свойств тонкой латунированной проволоки в потоке линии патентирования и нанесения латунного покрытия была увеличена скорость движения проволоки.

При разработке технологического процесса «мокрого» волочения тонкой латунированной проволоки учитывалось влияние поверхностного слоя дополнительной сдвиговой деформации, скорости деформации, температуры проволоки, кинематических особенностей станов «мокрого» волочения со скольжением. С учётом перечисленных факторов при анализе и разработке маршрутов волочения латунированной проволоки повышенной группы прочности была снижена величина скольжения и обжатия проволоки на последней протяжке по сравнению с действующим процессом, принят угол волочильного инструмента 12° на всех протяжках, обеспечено эффективное охлаждение проволоки на выходе из чистовой волоки. Разработанные режимы деформации тонкой высокопрочной латунированной проволоки были положены в основу операционной технологической карты на процесс мокрого волочения.

При разработке технологического процесса производства бортовой бронзированной проволоки повышенной прочности с использованием методики определения предельной деформируемости катанки были рассчитаны режимы деформации проволоки без операции промежуточного патентирования из высокоуглеродистой катанки диаметром 5,50 мм с содержанием углерода 0,83 - 0,85 % на диаметр 1,60 мм. Для термической обработки «светлой» заготовки для бортовой бронзированной проволоки был применен перспективный способ термической обработки в среде псевдоожиженных частиц в специально спроектированной и разработанной для этих целей печи СПОК 1.8-20. Для обеспечения достаточного уровня адгезионных свойств бортовой проволоки была разработана технология осаждения бронзового покрытия, а для получения нормируемого отношения предела текучести к пределу прочности на готовой проволоке (75 - 85 %) был применён способ знакопеременного изгиба.

В условиях ЗАО «Уралкорд» (г. Магнитогорск) при непосредственном участии автора разработана нормативно-техническая документация и внедрён процесс производства высокопрочной проволоки для армирующих материалов автомобильных шин группы прочности «НТ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. За рубежом широко освоено производство высокопрочных армирующих материалов для автомобильных шин, мировая потребность в них увеличивается и возникает необходимость разработки и промышленного освоения отечественных конкурентоспособных технологических процессов изготовления высокоуглеродистой проволоки для армирующих материалов автомобильных шин высокой группы прочности.

2. С помощью расчётно-эксперименгального метода при растяжении образцов с проточкой определены численные значения критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham Спр для катанки с содержанием углерода 0,79 - 0,85 %. Для многократного волочения значение Спр = 1,58 -1,62.

3. Исследовано разрушение высокоуглеродистой проволоки в зависимости от фактора формы очага деформации Д и коэффициента трения. Показано, что в принятых современной практикой волочения значениях фактора формы очага деформации Д = 1,2-2,0 величина критерия С уменьшается пропорционально уменьшению значения фактора Д. В области значений Д < 1,2 (в «удлинённом» очаге) при анализе разрушения проволоки» на значение критерия С необходимо учитывать влияние величины интенсивности деформации, а при Д >2 (в «укороченном» очаге) - влияние максимального растягивающего напряжения.

4. Значение критерия С не зависит от диаметра протягиваемой проволоки, а увеличение коэффициента трения повышает значение критерия в большей степени в «удлинённом» ОД.

5. Разработана методика расчёта режимов волочения на основе критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham, позволяющая на стадии проектирования технологии изготовления проволоки, определять режимы деформации и технологическую схему изготовления готовой продукции. Методику отличает простота, доступность получения экспериментальных данных в условиях действующего производства, оперативность и возможность использования при волочении проволоки любых диаметров из различных сталей и сплавов.

6. Впервые исследован характер течения металла в приповерхностном слое на границе раздела «деформируемый материал - инструмент» при волочении. Установлено, что под действием дополнительных сдвиговых деформаций на поверхности протягиваемой проволоки образуется слой, структура которого отличается от остального сечения большей деформацией зёрен. Показано, что при изменении Д с 1,1 до 2,0 и коэффициента трения с 0,08 до 0,20 глубина слоя остаётся постоянной и составляет = 20 -40 мкм, что подтверждается металлографическими исследованиями.

7. При уменьшении диаметра проволоки относительная доля слоя деформированных зёрен достигает 0,4 - 0,5 объёма очага деформации, повышая пластические свойства тонкой проволоки, что позволяет осуществлять процесс её волочения в «укороченном» очаге. На основании полученных результатов разработаны практические рекомендации по режимам волочения тонкой высокопрочной латунированной проволоки под металлокорд.

8. Разработана и внедрена в условиях ЗАО «Уралкорд» (г. Магнитогорск) промышленная конкурентоспособная технология производства высокопрочной проволоки для армирующих материалов автомобильных шин повышенной группы прочности «НТ». Для реализации разработанного технологического процесса определён и осуществлён комплекс работ по модернизации основного технологического оборудования.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

- в монографии:

1. Ресурсосбережение в метизном производстве: коллективная монография / В.И. Зюзин, H.A. Клековкина, А.Ю. Столяров и др,-Магнитогорск: МГТУ, 2001,- С. 86-96.

- в статьях:

2. Ремшин Ю.А. Применение эмульсии на основе смазки «Синапол» в волочильных станах для производства оцинкованной проволоки / Ю.А.

Ремшин, В.И. Фролов, А.Ю. Столяров, В.Ф. Жилкина // Металлург. - 2004.

- № 1,- С. 55-56 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

3. Столяров А. Ю. Разработка рациональных маршрутов волочения проволоки для металлокорда / А.Ю. Столяров, Н.Г. Гофман, В.А. Харитонов // Сталь. - 2006. - №7. - С. 66-68 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

4. Харитонов В.А. Влияние скорости протяжки на условия волочения со скольжением и качество тонкой высокоуглеродистой проволоки / В.А. Харитонов, С.М. Головизин, А.Ю. Столяров // Производство проката. 2007.

- № 4. - С. 23-29 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

5. Столяров А.Ю. Влияние масштабного фактора на свойства проволоки под металлокорд / А.Ю. Столяров, В.А. Харитонов //Метиз. - 2010,-№3.- С. 15-18 (Украина).

6. Столяров А.Ю. Анализ взаимосвязи микро- и макроуровней пластической деформации при волочении высокоуглеродистой перлитной стали / А.Ю. Столяров // Сталь. - 2012. - № 1. - С. 47-45 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

7. Столяров А.Ю. Определение глубины слоя дополнительной сдвиговой деформации при волочении тонкой проволоки / А.Ю. Столяров,

B.А. Харитонов // Сталь. - 2012. - № 12. - С. 45-47 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

8. Харитонов В.А. Влияние геометрических параметров очага деформации на разрушение проволоки при волочении / В.А. Харитонов, А.Ю. Столяров // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - № 1. - 2013. - С. 33-39 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

9. Харитонов В.А. Разработка конкурентоспособной технологии производства проволоки для металлокорда / В.А. Харитонов, А.Ю. Столяров // Металлург. - 2013. - №4. - С. 77-81 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

10. Харитонов В.А. Экспериментальное определение критерия разрушения при волочении высокоуглеродистой катанки / В.А. Харитонов, А.Ю. Столяров // Инновационные технологии в металлургии и машиностроении: сб. науч. тр. - Екатеринбург: Унив. тип. «Альфа Принт», 2013. -

C. 113-119.

Подписано в печать 15.07.2013. Формат 60x84/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 422.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО ((МГТУ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»

На правах рукописи

04201362261

СТОЛЯРОВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНКУРЕНТОСПОСОБНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель-

Харитонов Вениамин Александрович

кандидат технических наук, профессор

Магнитогорск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................6

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ ДЛЯ АРМИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН...........................................................................................10

1.1 Современные армирующие материалы для автомобильных шин и требования к ним.................................................................................................................10

1.2 Современное состояние производства проволоки для армирующих материалов автомобильных шин за рубежом и в Российской Федерации..................12

1.2.1 Состояние производства проволоки для армирующих материалов автомобильных шин за рубежом..........................................................................................12

1.2.2 Состояние производства проволоки для армирующих материалов автомобильных шин в Российской Федерации................................................................15

1.3 Направления повышения конкурентоспособности технологических процессов изготовления высокопрочной проволоки...................................................17

1.3.1 Структура, роль и требования к технологическому процессу изготовления проволоки...........................................................................................................17

1.3.2 Катанка для производства проволоки...........................................................18

1.3.3 Роль операции волочения в технологическом процессе производства проволоки...................................................................................................................19

1.3.4 Роль термической обработки проволоки в технологическом процессе.....21

1.3.5 Нанесение адгезионных покрытий на проволоку........................................23

1.3.6 Применение устройств знакопеременного изгиба для повышения пластических свойств бортовой проволоки.................................................................23

1.4 Разрушение проволоки при волочении в монолитных волоках....................24

1.4.1 Выбор и обоснование модели разрушения проволоки при волочении.....24

1.4.2 Расчёт предельного значения критерия разрушения M.G. Cockcrofit - D.J. Latham.........................................................................................................................27

1.4.3 Влияние параметров волочения на разрушение проволоки.........................28

1.4.4 Оценка предельной деформируемости проволоки при волочении.............30

1.5 Формирование поверхностного слоя при волочении проволоки................31

1.6 Цели и задачи исследования..............................................................................34

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ В МОНОЛИТНОЙ ВОЛОКЕ.........................................................35

2.1 Методика исследования величины предельной деформируемости проволоки при волочении.......................................................................................................35

2.2 Расчёт предельного значения критерия разрушения....................................37

2.3 Влияние параметров процесса на величину критерия разрушения С при волочении проволоки................................................................................................41

2.3.1 Влияние фактора формы очага деформации на критерий разрушения

С...................................................................................................43

2.3.2 Влияние коэффициента трения на критерий разрушения С.......................50

2.4 Разработка методики расчёта режимов волочения проволоки на основе

критерия разрушения M.G. Cockcroft- DJ. Latham................................................51

Выводы по главе........................................................................................................54

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ ПРОВОЛОКИ..................................................................................56

3.1 Материал и методика исследования.................................................................56

3.2 Результаты моделирования волочения проволоки с фактической шероховатостью поверхности..................................................................................................57

3.3 Оценка влияния угла волочильного инструмента и коэффициента трения на характер и глубину слоя дополнительных сдвиговых деформаций...............62

3.3.1 Влияние угла волочильного инструмента на глубину слоя........................62

3.3.2 Влияние коэффициента трения на глубину слоя..........................................64

3.4 Металлографические исследования слоя дополнительных сдвиговых деформаций....................................................................................................................66

3.5 Разработка практических рекомендаций для волочения тонкой латунированной проволоки......................................................................................................69

Выводы по главе........................................................................................................72

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ АРМИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН В УСЛОВИЯХ ЗАО «УРАЛКОРД»(г. Магнитогорск)................74

4.1. Разработка требований к высокопрочным армирующим материалам для автомобильных шин..................................................................................................74

4.2. Разработка технологического процесса изготовления проволоки для производства металлокорда повышенной группы прочности «НТ».............................75

4.2.1 Требования к тонкой латунированной проволоке.......................................75

4.2.2 Выбор и обоснование технологической схемы производства тонкой высокопрочной латунированной проволоки..................................................................76

4.2.3 Определение технических требований к катанке для производства армирующих материалов автомобильных шин повышенной группы прочности..............................................................................................................................77

4.2.4 Разработка технологического процесса грубо-среднего волочения «светлой» заготовки........................................................................................................78

4.2.5 Разработка технологической схемы процесса изготовления проволоки для металлокорда повышенной группы прочности..............................................83

4.3 Разработка режимов патентирования высокоуглеродистой заготовки.......85

4.4 Разработка режимов тонкого волочения латунированной проволоки повышенной группы прочности.......................................................................................86

4.5 Разработка технологического процесса производства бортовой бронзированной проволоки повышенной прочности.........................................................89

4.5.1 Разработка режимов деформации грубо-среднего волочения «светлой» заготовки...................................................................................................................89

4.5.2 Термическая обработка высокопрочной бортовой проволоки и нанесение бронзового покрытия...............................................................................................90

4.5.3 Применение устройств знакопеременной деформации для повышения потребительских свойств бортовой бронзированной проволоки...........................91

4.5.4 Разработка технологической схемы процесса изготовления бортовой

бронзированной проволоки повышенной прочности............................................92

4.6 Модернизация основного технологического оборудования для производства проволоки для армирующих материалов повышенной прочности в условиях

ЗАО «Уралкорд»........................................................................................................94

Выводы по главе........................................................................................................97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................101

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение средней скорости передвижения, рост цен на топливо, повышение требований к безопасности автоперевозок привели к необходимости использования автомобильных шин с более жесткими требованиями по ходимости, массе, дисбалансу, потерей на качение и т.д. Для обеспечения указанных технических характеристик современные металлические армирующие материалы для шин - металлокорд и бортовая проволока, должны выдерживать, в первую очередь, высокую разрывную нагрузку при минимальной массе погонного метра. В настоящее время всё большее применение находят армирующие материалы группы прочности «НТ» (2800 - 3200 Н/мм ), для изготовления которых необходима высокопрочная проволока. Производство такой проволоки требует применения заготовки с высоким содержанием углерода, изменения режимов волочения, патентирования и других операций. При этом необходимо добиваться снижения затрат на изготовление проволоки. В связи с чем, разработка и внедрение в производство конкурентоспособных процессов изготовления высококачественной высокопрочной проволоки для изготовления армирующих материалов автомобильных шин является актуальной задачей.

Цель настоящей работы заключается в разработке и внедрении научно обоснованных конкурентоспособных технологических процессов производства проволоки высокой прочности для армирующих материалов автомобильных шин.

Указанная цель реализуется путём решения следующих задач:

- разработка методики расчёта режимов волочения высокоуглеродистой проволоки на основе выбора и использования критерия разрушения и оценки влияния фактора формы очага деформации на её разрушение;

- исследование характера течения металла в приповерхностном слое при волочении, оценка влияния факторов волочения на его глубину и разработка практических рекомендаций для расчёта режимов деформации тонкой латунированной высокопрочной проволоки под металлокорд;

- разработка и реализация промышленной конкурентоспособной технологии производства высокопрочной проволоки для армирующих материалов автомобильных шин в условиях ЗАО «Уралкорд» (г. Магнитогорск).

Научная новизна работы:

- разработана оперативная методика оценки разрушения проволоки при волочении с использованием критерия разрушения M.G. Cockcroft -D.J. Latham;

- определены условия разрушения центральных слоев проволоки при волочении в монолитных волоках в зависимости от значений фактора формы очага деформации;

- определён характер течения металла при волочении в приповерхностном слое на границе раздела «деформируемый материал - инструмент».

Теоретическая значимость работы: разработана методика расчёта режимов деформации высокоуглеродистой проволоки на основе определения критического значения критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham, учитывающая влияние фактора формы очага деформации на разрушение и характер течения металла в приповерхностном слое при многократном волочении в монолитных волоках. Методика универсальна и может быть использована при расчёте режимов деформации при волочении проволоки различных марок сталей и сплавов.

Практическая значимость работы:

- численно рассчитаны предельные значения критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham для катанки из стали марок 80 и 85;

- разработаны рекомендации по определению режимов волочения проволоки в монолитных волоках, учитывающие глубину слоя дополнительной сдвиговой деформации.

Степень разработанности: результаты исследований внедрены в производство в виде технологических схем и режимов операций изготовления проволоки для армирующих материалов автомобильных шин высокой группы прочности.

Методология и методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались методы определения физико-механических свойств катанки и проволоки по стандартным методикам. Определение характера напряжённо-деформированного состояния металла проводилось с использованием программного комплекса «DEFORM» (лицензия: Machine 38808). Металлографические исследования микроструктуры образцов проволоки проводились с помощью оптической и электронной микроскопии. Лабораторные эксперименты и расширенные опытно-промышленные испытания проводились в условиях действующего производства на оборудовании ЗАО «Уралкорд».

Положения, выносимые на защиту:

- оперативная методика определения предельной деформируемости высокоуглеродистой катанки при волочении проволоки на основе критерия разрушения M.G. Cockcroft - D.J. Latham;

- результаты исследования разрушения высокоуглеродистой проволоки в зависимости от фактора формы очага деформации и коэффициента трения;

- результаты исследования характера течения металла в приповерхностном слое на границе раздела «деформируемый материал - инструмент» в зависимости от фактора формы очага деформации и коэффициента трения;

- промышленный конкурентоспособный технологический процесс изготовления высокопрочной проволоки для армирующих материалов автомобильных шин в условиях ЗАО «Уралкорд» (г. Магнитогорск).

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены большим объёмом выполненных экспериментов с использованием стандартных методов исследования физико-механических свойств исследуемых материалов, использованием лицензированного программного комплекса «DEFORM» (лицензия: Machine 38808), использованием статистических методов анализа данных при внедрении результатов исследований. Выводы базируются на современных достижениях теории волочения проволоки в монолит-

ных волоках, не противоречат её положениям и сопоставлены с данными других исследователей.

Апробация работы.

Основные положения работы обсуждены на VI международном конгрессе прокатчиков(г. Липецк, 2005 г.), Международной научно-технической конференции ГОУ ВПО ЧТУ (г. Череповец, 2005г.), VIII Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (г. Москва, 2013 г.), ежегодных научно-технических конференциях МГТУ им. Г.И. Носова в 2006-20 Юг (г. Магнитогорск).

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ ДЛЯ АРМИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН

1.1 Современные армирующие материалы для автомобильных шин

и требования к ним

За последнее, сравнительно небольшое время, сортамент армирующих материалов для автомобильных шин претерпел значительные изменения. Связано это, в первую очередь, с тем, что к автомобильным шинам стали предъявляться более жесткие требования по ходимости, массе, дисбалансу (силовой неоднородности) и т.д. Для обеспечения повышенных технических характеристик шин современный металлокорд и бортовая проволока должны выдерживать высокую разрывную нагрузку при минимальной массе погонного метра (линейной плотности), иметь достаточный уровень прочности связи с резиной, обладать повышенным сопротивлением усталостному разрушению при циклических нагрузках. Особое внимание на сегодняшний день уделено таким показателям, как остаточные кручения, прямолинейность, стрела прогиба, непосредственно влияющих на технологичность процесса изготовления резино-кордового полотна (бортовых колец) на современных линиях обрезинивания.

В работах [1-4] приводится обзор сортамента армирующих материалов для автомобильных шин в зависимости от назначения. На официальных сайтах самых крупных европейских производителей металлокорда - компании «Bekaert» (Бельгия) и РУП «БМЗ» (Беларусь) представлены каталоги типовых современных конструкций, используемых на сегодняшний день при производстве легковых, лёгко-грузовых, грузовых, сельскохозяйственных и т.п. шин [5,6].

В настоящий момент всё большее применение находят армирующие материалы высокой прочности - НТ (High Tensile) группы прочности 2800 -3200 Н/мм2 и сверхвысокой прочности - ST (Super Tensile) группы прочности

■у

3200 - 3500 Н/мм вместо материалов нормальной прочности - NT (Normal Tensile, или без индекса) группы прочности 2400 - 2800 Н/мм . Увеличение прочности также способствует повышению усталостных свойств тонкой латунированной проволоки для металлокорда, особенно компактных пучковых конструкций для армирования каркаса автомобильной шины [7].

Помимо высокой прочности проволока для современных армирующих материалов должна обладать высоким комплексом пластических (усталостных) свойств. Применительно к металлокорду это условие необходимо для обеспечения технологичности процесса высокоскоростной свивки методом двойного кручения. При уровне прочности группы «НТ» (порядка 3000 - 3200 Н/мм ) тонкая латунированная проволока диаметром 0,20 - 0,35 мм должна выдерживать определённое количество прямых и обратных скручиваний. В противном случае резко снижается качество готового металлокорда (усталостная выносливость) и производительность процесса свивки.

При изготовлении проволоки для армирования бортовых колец шин диаметром 0,89 - 1,85 мм прочностью порядка 2000 Н/мм нормативной документацией предусмотрены испытания на скручивание, перегибы, удлинение, также нормируется значение отношения предела текучести к пределу прочности.

Действующие на сегодняшний день государственные стандарты на ме-таллокорд - ГОСТ 14311-85 «Металлокорд» и бортовую проволоку ГОСТ 26366-84 «Проволока �