автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка технологии производства нержавеющей пружинной проволоки с повышенными потребительскими свойствами

На правах рукописи

САВЕЛЬЕВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ Р Г В ОД

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НЕРЖАВЕЮЩЕЙ ПРУЖИННОЙ ПРОВОЛОКИ С ПОВЫШЕННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

№ ш

Белорецк - 2000

Работа выполнена в ОАО "Белорецкий металлургически! комбинат":

Научные руководители: кандидат технических наук,

доцент Кулеша В.А.

кандидат технических наук,

доцент

Белалов Х.Н.

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук,

профессор

Бринза В.В.

кандидат технических наук,

доцент

Манин В.П.

ОАО завод "Серп и Молот", г. Москва

Защита состоится 23 марта 2000 года в 15-00 часов на за седании диссертационного совета Д 063.04.01 в Магнитогорск государственном техническом университете им. Г.И. Носова п< адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, мальн актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Маг нитогорского государственного технического университета им Г.И. Носова

Автореферат разослан 15 февраля 2000 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Селиванов В.Н.

К310. в, 27, о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В производстве проволоки из нержавеющих пружинных сталей остро стоит проблема повышения прочности в сочетании с другими потребительскими свойствами (пластическими, релаксационными, циклическими и другими). Повышение потребительских свойств пружинной нержавеющей проволоки достигается комплексным легированием хромосодержащих аустенитных сталей марганцем, кремнием, азотом, углеродом, ванадием, молибденом. Возможны и другие методы легирования с целью изменения физико-механических свойств стали. Однако легирование стали не обеспечивает конечного результата, если не создана оптимальная' технология переработки исходной заготовки (катанки) в проволоку.

Формирование потребительских свойств пружинной нержавеющей проволоки происходит на всех стадиях технологии ее производства, а оптимальное сочетание этих свойств достигается правильным выбором режимов операций на каждом переделе. Комплексным понятием, представляющим сочетание прочности, надежности и долговечности, является конструкционная прочность. Анализ технологии производства высокопрочной нержавеющей проволоки показывает, что в этой области имеются еще значительные резервы повышения ее конструкционной прочности, а. следовательно, и качества пружин.

В связи с этим представляется актуальным создание теоретической базы, методов расчета и технологии производства пружинной проволоки из нержавеющих сталей повышенной конструкционной прочности, что обеспечивает долговечность и надежность ее работы в конструкциях, позволяет решить необходимые технические задачи.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение уровня потребительских свойств нержавеющей пружинной проволоки путем совершенствования процессов упрочнения при пластической деформации и технологии производства этой проволоки в целом.В работе ставились следующие задачи:

- исследование закономерностей упрочнения приведенных в диссертации марок сталей и изменения их физико-механических свойств при пластической деформации;

- изучение влияния упрочнения на основные параметры волочения и нагрева проволоки при волочении, создание на основе этого методов расчета маршрутов волочения и расчетных формул;

- исследование влияния параметров технологии производства проволоки из выбранных марок сталей на ее потребительские свойства;

- разработка технологии изготовления нержавеющей пружинной проволоки повышенной конструкционной прочности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- изучены характер и механизм упрочнения проволоки из аустенитных высокопрочных сталей для пружин и упругих элементов, установлена закономерная связь упрочнения от различных условий деформации;

- предложены методы расчета упрочнения;

- определено влияние упрочнения на основные параметры процесса волочения: усилие волочения, максимальную вытяжку за переход, расход энергии на упрочнение и нагрев проволоки;

- установлена связь упрочнения и таких показателей, как оптимальный угол волоки, коэффициент трения при волочении; на основании этого созданы необходимые расчетные формулы;

- разработаны методы расчета основных параметров технологии производства проволоки из нержавеющих сталей и выбора обжатий по маршруту волочения;

- обоснованы и экспериментально проверены диапазоны изменения параметров технологии производства нержавеющей пружинной проволоки, обеспечивающие высокую конструкционную прочность.

Практическая ценность работы:

- установлены оптимальные режимы упрочнения высокопрочной нержавеющей пружинной проволоки;

- разработана технология производства нержавеющей пружинной проволоки повышенной конструкционной прочности;

- разработаны принципы проектирования технологии производства пружинной нержавеющей проволоки высокой конструкционной прочности, реализация которых позволяет получить материалы, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства изделий из них;

- результаты работы по анализу процесса упрочнения и волочения могут быть использованы при создании технологии производства проволоки практически из любых сталей.

Реализация работы в промышленности. Результаты диссер-гационной работы внедрены .на ОАО "Белсрецкий металлургический комбинат". Выполненные исследования позволили внести соответствующие изменения в технологические инструкции по производству проволоки из исследуемых сталей.

С использованием предложенной технологии реализуется возможность получения нержавеющей высокопрочной проволоки с рациональным сочетанием потребительстких свойств по следующим техническим условиям: ТУ 14-4-1226-98 «Проволока нержавеющая пружинная», ТУ 14-4-1637-90 «Проволока коррозионностойкая особо высокопрочная, предназначена для изделий специального назначения», ТУ 14-173-61-94 «Проволока для стержневого стоматологического инструмента», ТУ 14-41554-98 «Нержавеющая высокопрочная проволока, предназначенная для изготовления пружин», ТУ 14-173-2-91 «Проволока пружинная из коррозионностойкой стали ЭК 160-ПД для пружин карбюратора автомобиля ВАЗ», ТУ 3-1002-97 «Проволока пружинная для тормозной аппаратуры», ТУ 14-4-1039-89 «Проволока теплостойкая коррозионностойкая высокопрочная».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Втором международном конгрессе прокатчиков (г. Череповец, 1997 г.), на Третьем международном конгрессе прокатчиков (г. Липецк, 1993 г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании «Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве» (г. Магнитогорск, 1990 г.), на Международной конференции «Бернштейнов-

ские чтения» по термомеханической обработке металлически) материалов (г. Москва, 1999 г.), на совещании главных инженеров концерна «Промметиз» (г. Череповец, 2000 г.), на техническом совете ОАО "Белорецкий металлургический комбинат" (г Белорецк, 2000 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 1 монографии и 10 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 107 наименований. Работа содержит 152 страницы машинописного текста, 38 рисунков, 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описана цель работы, показана ее актуальность, теоретическая новизна и практическая значимость.

В первой главе проанализированы литературные данные по формированию конструкционной прочности нержавеющей пружинной проволоки и влиянию технологических факторов на ее свойства.В настоящей работе рассматривается формирование конструкционной прочности аустенитных пружинных марок стали, легированных с целью получения структурного состояния с высокой плотностью прочно закрепленных дислокаций за счет Mn, Si, N, С и Ni, а для дополнительного упрочнения при старении добавками Мо и Х/.Специфика производства проволоки для пружин состоит в том, что стали упрочняются пластической деформацией при этом протекают, наряду с процессами деформационного упрочнения, другие процессы, связанные с нагревом металла при волочении (старение, динамический возврат и полигонизация, фазовый наклеп, фазовые превращения). Это приводит к тому, что упрочнение при волочении имеет сложную зависимость от степени деформации. Исследованию упрочнения нержавеющих сталей посвящено значительное количество работ, наиболее полно эти исследования выполнены Колпашниковым А.И., Белоусовым A.C., Мануйловым В.Ф. и Соколовым Н.В. Установлено, что для стали 12Х18Н9Т в

деформированном состоянии временное сопротивление разрыву описывается формулой:

= сг„ +15,7^ - - Л-„ . (1)

где а0- временное сопротивление разрыву заготовки; Кд - коэффициент, учитывающий единичные обжатия при волочении (Кд =0,75-1,0 при увеличении вытяжки ц от 1,1 до 1,4); Км - коэффициент, учитывающий влияние масштабного фактора (Км =0,95-1,05 при уменьшении диаметра от 2,1 до 0,3 мм); 5 сум = 1-1/ц сум - суммарное обжатие и вытяжка при волочении. Упрочнение аустенитных сталей при пластической деформации зависит от наклепа аустенита, протекания мартеновского превращения, наклепа мартенсита (в метастабильных сталях), а интенсивность протекания этих процессов зависит от легирования, структурного состояния заготовки и условий деформации. Кроме того, установлено, что отпуск проволоки на готовом размере (или изделии) является фактором регулирования конструкционной прочности. Анализ литературных данных и практического опыта производства показывает, что в настоящее время нет достаточно хорошо обоснованных рекомендаций для того, чтобы можно было бы спроектировать технологический процесс производства нержавеющей пружинной проволоки из новых марок сталей. Для каждого вида проволоки и класса стали приходится проводить исследования с целью создания технологии ее производства, а технология изготовления проволоки из нержавеющей стали классической марки 12X18Н9Т дает возможность руководствоваться ею только при выборе общей схемы технологического процесса. Поэтому требуется выявление ряда важных факторов теоретического и практического характера, не по-пучивших достаточного освещения в литературе, но оказывающих существенное значение на технологию производства не-эжавеющей пружинной проволоки. Глава заканчивается постановкой задач исследования по теме диссертационной работы.

Во второй главе исследовано упрочнение нержавеющих ;талей при волочении. Материалом исследования в настоящей заботе являлись перспективные аустенитные марки сталей

04X18АГ12С2Б(ЭК160ПД), 18X15Н6АМЗ(ВНС9Ш)12X18Н8Г2С2МФ (ЗИ 126Ш), 13Х18Н10ГЗС2М2 (ЗИ 98).Технология производств; проволоки из этих сталей осваивалась на ОАО "Белорецкий ме таллургический комбинат". В работе также применялась наиболе» распространенная в промышленности сталь 12Х18Н9Т. Химиче ский состав сталей приведен в табл1

Таблица 1.

Химический состав сталей, применяемых в исследовании

Марка стали Соде эжание элементов, весовые %

С Сг Мп Ni Si Р S N № Мо V Си Ti

04Х18АГ12С2Б (ЭК160-ПД) 0,02-0,06 18,5-19,5 11,0-13,0 1,7-2,5 <0.03 <0.03 0,28-0,38 0,06-0,12 - - - -

18Х15Н6АМЗ (BHC-9LU) 0,16-0,21 15,0-16,0 н.б. 1,0 6,0-7,0 н.б. 0,6 н.б. 0,015 н.б. 0,015 0,04-0,09 - 2,7-3,2 - - -

12Х178Н8Г2С2МФ (ЗИ 126Ш) 0,10-0,14 16,0-17,0 1,8-2,2 7,5-8,5 1,3-1,6 н.б. 0,025 н.б. 0,025 - - 1,0-1,3 0,5-0,7 н.б. 0,5 -

13Х18Н10ГЗС2М2 (ЗИ 98) 0,10-0,15 17,3-19,2 2,7-3,3 9.0-11,0 1.7-2,3 н.б. 0,025 н.б. 0,020 - - 1,7-2,3 - н.б. 0,3

12Х18Н9Т н.б. 0,12 17,0-19,0 н.б. 2,0 9,0-11,0 н.б. 0,035 н.б. 0,02 5С- 0,8

Термическая обработка катанки и проволоки - заготовки под волочение состояла в нагреве до 1050-1150° С (в зависимости от марки стали) и охлаждении в воду, что обеспечивало полное растворение избыточных фаз. Для исследования влияния степени деформации заготовку из сталей, приведенных в табл. 1, протягивали с разными обжатиями и изучали характер изменения механических свойств. Пластическая деформация способствует значительному возрастанию прочности сталей, а интенсивность их упрочнения значительно выше, чем у промышленной стали 12Х18Н9Т, что обусловлено особенностями легирования этих сталей. Пластическая деформация стали 04Х18АГ12С2Б уже при небольших степенях деформации приводит к заметному приросту прочности. Это объясняется тем, что энергия дефектов упаковки (ЗДУ) аустенита этой стали почти в 1,5 раза ниже, чем у стали 12Х18Н9Т. Упрочнение стали 04Х18АГ12С2Б при пластической деформации происходит за

счет деформационного упрочнения аустенита и образования мартенсита.

Упрочнение проволоки из стали 18Х15Н6АМЗ, в основном, связано с выделением а-фазы, поэтому представляет интерес влияние степени деформации на у-»а превращение. Наиболее интенсивный рост а-фазы наблюдается при вытяжке ц=5.

В стали 12Х17Н8Г2С2МФ сохранена известная базовая композиция 18-8, дополнительно легированная Мп и Si для повышения прочностных характеристик. С целью увеличения теплостойкости, а, следовательно, и релаксационной стойкости при повышенных температурах стали легированы Мо и V. Повышение прочности с увеличением степени деформации происходит за счет деформационного упрочнения аустенита, мартенситное превращение не является решающим. Это ярко проявляется при сравнении со сталью 12Х18Н9Т. При степени деформации ц=4 сталь 12Х18Н9Т имеет 43% мартенсита деформации, а сталь 12Х17Н8Г2С2МФ - только 34%. Временное сопротивление разрыву стали 12Х18Н9Т при этом ниже на 150 н/мм2.

Сталь 13Х18Н10ГЗС2М2 - со стабильным аустенитом, по типу упрочнения является деформационностареющей.

Таким образом, исследуемые стали имеют различный механизм упрочнения, но решающее значение на их упрочнение оказывает пластическая деформация. Теоретически работа волочения затрачивается на упрочнение проволоки и тепло, которое возникает в результате пластической деформации и внешнего трения в волоке. Представим, что часть работы чистой деформации проволоки (без внешнего трения) поглощается в стали, повышая ее внутреннюю энергию, то есть идет на образование дислокационной структуры деформированной стали. Предположим, что прирост прочности и работа деформации связаны соотношением dcx = mdAx (2)

Известно, что в идеальных условиях (без трения) работа деформации Ах =ст, Inр.х, тогда dAx = crxdln)j.x (3) подставим в уравнение (2) значение dAx

do\ = mavd lnjiv или —- = (4)

о,

Интегрируя выражение (4). получили зависимость прочности от степени деформации.

о, =ст.ц™ , (5)

где а0 - исходная прочность, m - интегральный показатель упрочнения, так как по мере увеличения деформации вест

личина In - = m In ja x определяет долю общей энергии чистой

деформации, пошедшей на увеличение прочности проволоки.

Анализируя данные, полученные авторами различных работ и исследования данной работы, построили кривые зависимости m от ,и (1пц) для разных марок сталей. Характер зависимости m = lnj.1 для разных сталей имеет различие (рис. 1, 2), что объясняется, главным образом, особенностями процессов, протекающих при деформации. Для исследуемых сталей показатель m в первой протяжке близок к 1, а в некоторых случаях превышает 1.0, а затем, по мере увеличения вытяжки, уменьшается. По физическому смыслу m может принимать значения 1.0 и менее, так как на упрочнение может быть расходована только работа чистой деформации. Превышение т>1.0 может означать увеличение прочности за счет дополнительного фазового превращения. Увеличение обжатия в первой протяжке до 35-40% способствует большей величине упрочнения в том числе за счет фазовых превращений и динамического старения. Достигнутое в процессе первой протяжки дополнительное упрочнение сохраняется до конца маршрута волочения, вызывая увеличение общего упрочнения при заданной суммарной деформации.

В данной работе впервые получены зависимости прочности от степени деформации в указанном виде. Они могут быть использованы для более точных расчетов прочности проволоки по переходам и расчетов усилия волочения для исследуемых марок сталей.

и

m

1.5

1.0

0.5

• -стал» 12Х1вН»Т аагото»« D"2.18um. X - сталь 04Х18АЛ 2С2Б Мготоам 0 -2.05 мм. Д-сталь 04Х18АГ12С2Б заготовка D «4,08 мы. ■ - сталь 12Х17Н8Г2С2МФ клтога 0 «2,00 им. * -сталь 13X1SH10T3C2M2 йотой* D»S,Oioi. о * сталь 18Х15Н6АМЗ заготовка D "3.7 мы.

1

ч

L

1—- « к Я

2 3 4 5 6 7 8 S 10 11 12 0,7 1.1 V.4 i!e le 1.I5 z!i 2.2 г!з г!ч |П ц Рис.1. Зависимость m oijX для исследуемых сталей

V1 "'t'.« 1.» 1.BS ¿1 2.2 j'.j 2.4 2.« г.'« fo

Рис. 2. Зависимость m от ц для углеродистых нелегированиых сталей

В третьей главе рассмотрен вывод формулы для расче та напряжения волочения. Анализ процесса волочения прово дился с учетом предложенного закона упрочнения исследуемы) сталей ах = ст0ц™. В процессе волочения любой проволок!/

мощность волочения расходуется на выполнение работы деформации (преодоление внутреннего трения металла), преодоление внешнего трения и работы дополнительных сдвигов Влияние зон внеконтактной деформации и дополнительны) сдвигов сводим к минимуму в заданных условиях. Это позволяет эффективно использовать метод решения приближенных уравнений равновесия и уравнения пластичности. Определим усилие волочения через коническую волоку. Дифференциальное уравнение равновесия выделенного элемента в очаге деформации с!х на расстоянии х от выхода из очага деформации будет иметь следующий вид:

(стх + (1с7х)(РХ + сШ,) -а^ + Р„(1 + Л*8сх) = 0, (6)

где стх - текущее напряжение, Рх - текущая площадь поперечного сечения, f - коэффициент трения, Рп - сила нормального давления.

Решив это уравнение, получим формулу для определения напряжения волочения с упрочнением

ах ,ГДе а=1-Ь= |Гс1да| (7)

ш + а

Из этой формулы практически можно получить почти все известные выражения для определения напряжения волочения. В работе приводятся расчеты (сведены в таблицу) по формуле (7) напряжения волочения для применяемого в практике диапазона изменений параметров волочения.

Анализ этих расчетов показывает, что

- при одинаковых значениях угла волоки и коэффициента трения напряжение волочения с ростом показателя упрочнения т возрастает при всех значениях вытяжки;

- с ростом коэффициента трения напряжение волочения возрастает, а с увеличением угла волоки падает при всех значениях вытяжки;

- минимальное значение напряжения волочения достигается при значениях if * с1да |«! т |, что соответствует оптимальному сочетанию угла волоки, коэффициента трения и упрочнения при волочении. Из этого сделан вывод, что прирост сопротивления сил трения при волочении не должен превышать прироста напряжения волочения.

Анализ полученной формулы (7) позволил определить максимально допустимые вытяжки без учета трения, но с упрочнением:

г 1 \|/т :- (8)

/ = 0 _ /Апах

\i-mj

Определена максимальная вытяжка с учетом угла волоки, коэффициента трения и упрочнения:

(9)

, 1-ш ;

Показатель упрочнения т можно принимать по экспериментальным данным, например по рис. 1.

Зависимость максимальных вытяжек от угла волоки и коэффициента трения при разных степенях упрочнения приведена на рис. 3, зависимость цтах при оптимальных углах волочения эбозначена штриховой линией. Данные расчетов хорошо совпадают с практическими результатами. При определенных значениях т, а и коэффициента трения 1 наступает равновесие этих ;ил, что соответствует оптимальному углу волоки. Анализ рис. 4 юзволяет рекомендовать при больших значениях коэффициен-га трения (0,075-0,1) большие углы волок, а при малых значениях коэффициента трения (0,05) допустимы меньшие углы волок. Эднозначно можно определить связь между коэффициентом грения, углом волоки и степенью упрочнения при деформации. 1ри высоком коэффициенте трения на первых протяжках следует рекомендовать большие углы волок, но поскольку при во-гочении нержавеющей проволоки т максимален на первых про-"яжках, то рекомендуемые углы волок составляют 8-12°.

Оптимальный угол волоки при

*

F 1,53

J

11-1 ; 5

J4 1,1 .Ъ

"fl

« in I

У

С2 « Oí U Ii U M

1клЗашмостЦотушшш,ко)ффшдегатрсши шиш

и Шп М.53

pf [i=f.25

и '.tí ,

a-feigа

Рис. {. Значение Ki pi наиболее распространенных i проволочной прошдспе значений а (Решевдутог mima Ks ди ршд мшд задпршш).

мочении, обеспечивающий наименьшее напряжение волоче-

, . т

достигается при т = -а; а =т йда или а = агссщ — .

Определено также отношение напряжения без трения, но упрочнением металла^к общему напряжению волочения.

Х-

а„,.„ m xr ш + а

вол

Овол Ът

цт -1

и

(10)

т + а

Зависимость X от вытяжки, величины а и показателя упрочне-т m сведены в таблицу, из которой следует, что главным и решаю-[им фактором, оказывающим влияние на процесс волочения, точнее а соотношение затрат, связанных с деформацией при волочении ока-э!вают условия трения - угол волоки а и коэффициент трения f. Дан-ые рис. 5 показывают, что при малых значениях а=0,28 (f=0,05; а=10°) этери на трение составляют примерно 15-20%, а при возрастании =1,43 составляют около 50%, Если величина f ctga значительно пре-ышает m, то создаются условия для дополнительных потерь, КПД роцесса волочения падает. Если m>f ctga, то условия волочения при-лижаются к оптимальным.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, то доля сил внешнего трения и потерь на нагрев составляет еличину 0,15-0,5 от общего напряжения волочения и возраста-т с ростом коэффициента трения и уменьшением угла волоки, ривая (1-1). На этом основании уточнены расчеты '.Б.Красильщикова по распределению мощности волочения на прочнение, внешнее трение, а также нагрев при волочении.

Зависимости отношения напряжения волочения к проч-юсти переднего конца проволоки Кв от m, f, a и р. сведены в аблицу и отражены на рис. 6, из которого следует, что для при-1ятых в промышленности условий волочения Кв ~ 0,5. Для приближенных расчетов усилия волочения предложена формула

Р = 0,5ао ■ FK ■ /лт'1, (11)

где F* - площадь сечения проволоки после волочения.

В четвертой главе выполнены исследования влияния нагрева при волочении и отпуска на готовом размере на свойства проволоки. Показано, что оптимальными условиями являются те, при которых прирост прочности при волочении соответствует величине прироста напряжения волочения от сил трения. Введение понятия оптимальной вытяжки при т=-а позволило однозначно определить долю работы, идущей на нагрев проволоки, преодоление сил внешнего трения и упрочнение. Мощность волочения, идущая на нагрев проволоки, соответствует:

WHarpeB=aB0J1(l-^)FK.V, (12)

где X - доля напряжения волочения без трения, г) - доля напряжения волочения, идущая на упрочнение, FK - конечное сечение проволоки, V - скорость волочения.

Результаты нагрева проволоки при волочении существенно отличаются от данных, рассчитанных по методике Кра-сильщикова Р.Б. Сравнение рассчитанных температур нагрева проволоки с данными экспериментов показывают их достаточно хорошее совпадение. Предлагаемая методика может быть принята для расчета температуры проволоки по маршруту волочения. Показано, что на свойства проволоки главное влияние оказывает скорость охлаждения проволоки на конечных протяжках.

В этой же главе рассмотрено влияние нагрева наклепанной проволоки на ее свойства. Выбранные для исследования стали после термической обработки заготовки подвергали волочению с вытяжкой 3-3,5. Готовую проволоку нагревали до различных температур в диапазоне 200-700°С с различным временем выдержки. На проволоке определяли ав, ст0,2, cxo.os, количество перегибов, а также удельное электросопротивление, микротвердость, количество а-фазы, параметр решетки, то есть те показатели, которые могут свидетельствовать о внутренних изменениях в металле.

Отпуск проволоки проводили после различных степеней деформации. Максимальный прирост прочности и лучшее сочетание прочностных и пластических свойств обеспечивают короткие выдержки при температуре 400-500°С. Степень дефор-

мации перед отпуском рекомендуется /л = 2.5-5.0. Быстрое упрочнение при коротких выдержках обусловлено, в основном, блокированием подвижных дислокаций примесными атомами. С увеличением температуры отпуска и выдержки происходит снижение характеристик и выделение дисперсных частиц нитридов и карбидов, при этом наблюдается понижение периода решетки аустенита и снижение удельного электросопротивления. Пластическая деформация ускоряет процесс старения, способствует равномерному распределению выделений избыточной фазы при старении.

В пятой главе исследовано влияние параметров технологии на усталостные и релаксационные свойства проволоки. Нагрузочные характеристики пружин существенно зависят от упругих свойств материала. Сопротивление материала микропластической деформации (усталости и релаксации напряжений) после различных режимов пластической деформации и термической обработки оценивали пределом упругости. Предел упругости растет с увеличением степени деформации проволоки из исследуемых сталей и после обжатия 60-80% существенно превосходит проволоку из сталей 12X18Н9Т, что связано с особенностями их дислокационной структуры, формирующейся при пластической деформации за счет низкой энергии дефектов упаковки аустенита благодаря легированию этих сталей МпЛа.

Усталостная прочность и релаксационная стойкость пружин определяют надежность и долговечность службы пружин. Оценку усталостной прочности проводили по известной методике на основании данных сравнительных испытаний при определенных напряжениях на пробежной машине ПТ-2 (ГОСТ 2387) и путем знакопеременного кручения с изгибом. Результаты испытаний показали, что с увеличением степени обжатия при волочении долговечность проволоки независимо от состава сталей уменьшается. Отпуск проволоки повышает ее долговечность, особенно протянутой с большими степенями деформации (в 1.5-1.7 раза). Для всех сталей, кроме 18Х15Н6АМЗ, наблюда-

ется резкое снижение количества циклов, после деформации превышающей 60%.

Проволока из исследуемых марок сталей имеет более высокую циклическую прочность, чем проволока из сталей 12X18Н9Т, особенно большая разница (3.7-3.9 раза) при испытании на уровне напряжений 900н/мм2 . Полученные данные подтверждают, что при обжатии проволоки не более 90% в ней не возникают микротрещины, которые могут резко снизить усталостную прочность. Исследования релаксационной стойкости проволоки показали, что наименьшей релаксационной стойкостью обладает холоднотянутая проволока, каждому уровню температуры испытаний соответствует определенное суммарное обжатие, нагрев деформированной проволоки до 300-500°С приводит к повышению релаксационной стойкости. Релаксационная стойкость проволоки из исследуемых сталей в несколько раз превышает релаксационную стойкость проволоки из сталей 12Х18Н9Т.

Шестая глава диссертационной работы посвящена разработке технологии производства нержавеющей пружинной проволоки с повышенной конструкционной прочностью. Это возможно сделать на основе комплексного исследования влияния упрочнения, режимов волочения на свойства холоднотянутой и отпущенной проволоки. При этом разрабатываемые режимы технологии должны обеспечить необходимый уровень свойств по таким характеристикам, как временное сопротивление разрыву, предел упругости, предел усталости, релаксационная стойкость. Рассматриваемый в предыдущих главах материал позволил конкретизировать условия для производства высокопрочной проволоки:

1. Для всех выбранных сталей исследовалась взаимосвязь режимов термической обработки заготовки с химическим составом, фазовым составом и структурой, физико-механическими свойствами, что позволило сделать вывод о том, что оптимальной является закалка в воду с температур 1050-1150°С. Закалка с этих температур обеспечивает раство-

рение избыточных фаз и дает оптимальное сочетание прочности и пластичности для последующего волочения.

2. Установлено, что последующий после закалки отпуск при 450°С с выдержкой 50 минут улучшает прочностные свойства проволоки. Положительное влияние такого отпуска объясняется релаксацией напряжений, перестройкой дислокаций и более равномерным распределением образующегося мартенсита при последующей деформации в метастабильных аустенитных сталях. При равной степени суммарной деформации проволока, протянутая после закалки и отпуска, имеет более высокий уровень пластичности - разрыв с узлом и число скручиваний, позволяющий протянуть ее до меньших размеров и с большей прочностью.

3. При технологических расчетах предлагается использование особой схемы расчета прочности проволоки с учетом изменения упрочнения по маршруту волочения. Упрочнение не-эжавеющих сталей описывается показательной функцией сг = а о р'-71, где т - отражает упрочнение проволоки в виде до-пи поглощенной металлом энергии чистой деформации. В пер-зых протяжках идет интенсивное упрочнение проволоки, значе-■ме коэффициента т достигает 1,0 и даже больше, что свидетельствует о существовании дополнительных процессов упрочнения, связанных с фазовыми превращениями. Графики зави-;имости т от ¿п /л позволяют дифференцированно производить учет влияния изменения химического состава в пределах ларки и степени деформации (частных обжатий) по протяжкам, гго позволяет гарантированно обеспечивать необходимую фочность при минимальном суммарном обжатии.

4. Определяющее значение при разработке технологии (меет выбор суммарной степени деформации при волочении. Суммарные обжатия определяют стабильность технологическо-о процесса и свойства проволоки. Проведенный эксперимент юдтвердил, что применение больших суммарных обжатий г 80%(// > 5) нежелательно. Исследования, выполненные в на-тоящей работе, позволяют рекомендовать суммарные обжатия

60-80%, при которых достигается наилучшая конструкционная прочность проволоки.

5. Анализ процесса волочения проведенный в гл.З позволил определить оптимальные углы волок по маршруту волочения. Рекомендуются волоки с углом 8-12°, применение сборных волок (гидродинамические условия трения) особенно эффективно на первой протяжке, когда прочность исходной заготовки минимальная. По мере упрочнения материала оптимальный угол уменьшается до 6-8°.Эта рекомендация вытекает из теоретической предпосылки:

т = -f ctg а.

6. Данные, приведенные в гл.4., позволяют сделать вывод о том, что основное количество тепла при волочении уносится проволокой. Фактически небольшая часть энергии волочения превращается в тепло нагрева проволоки 1/V„arP-. ствол (1-А/О, где (1-Я/) = 0,01-0,14, т.е. от 1 до 14% энергии волочения идет на упрочнение.

При волочении ненаклепанного металла в первых протяжках величина т равна единице, что соответствует максимальному расходу энергии на упрочнение (=14%).

Нагрев проволоки в первых протяжках не оказывает отрицательного влияния на свойства. Охлаждение проволоки при многократном волочении необходимо проводить интенсивно на последних протяжках чтобы температура проволоки не превышала 450-500°С. Проведенные исследования показали (гл.4), что кратковременный нагрев до температуры 450-500°С улучшает конструкционные свойства проволоки.

7. Распределение частных обжатий по маршруту волочения зависит от условий трения и упрочнения материала. Оптимальные вытяжки достигаются при т = - а, то есть при равновесии напряжения волочения без трения, но упрочнением и напряжения волочения с трением, но без упрочнения. Рекомендуется применение уменьшающихся вытяжек по маршруту волочения от ¡л - 1,6 до 1,2. Сделан расчет значений вытяжек для нержавеющей проволоки.

8. Исследовалось влияние распределения частных обжатий по маршруту волочения проволоки из сталей 12Х18Н9Т и 18Х15Н6АМЗ. Единичные обжатия по первому маршруту изменялись от протяжки к протяжке, по второму - 15%, по третьему -22-24%. Применение малых частных обжатий приводит к интенсивному выделению а-фазы, а большие частные обжатия, наоборот, к меньшей интенсивности образования а-фазы. Из этого можно сделать вывод о влиянии нагрева при максимальных обжатиях на уменьшение интенсивности выделения а-фазы. Увеличение единичных обжатий при волочении проволоки из нержавеющих сталей с нестабильным аустенитом ведет к снижению прочности проволоки и увеличению ее пластических свойств. Применение увеличенных единичных обжатий на первых протяжках позволяет снизить интенсивность упрочнения в первых протяжках и достичь необходимой прочности, сохранив пластичность проволоки.

Учитывая все вышеизложенное, была разработана и внедрена на ОАО "БМК" технология производства нержавеющей пружинной проволоки повышенной конструктивной прочности. Особо высокопрочная нержавеющая проволока сга > 2500-3000н/мм2 нашла применение для производства высоконагру-женных пружин, для изготовления медицинского инструмента, армирования композиций, изделий спецтехники.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Изучение характера и механизмов упрочнения проволоки из исследуемых сталей 04Х18АГ12С2Б, 18Х15Н6АМЗ, 12Х17Н8Г2С2МФ, 13Х18Н10ГЗС2М2 позволило установить общие закономерности изменения свойств проволоки при волочении. высказать общую гипотезу упрочнения и получить необходимые зависимости повышения прочностных свойств от степени

гу

деформации. Введение показателя упрочнения т =Ы — / (.пц

^ о

позволило получить эту зависимость в очень простом виде

сг = а „¡л"' и в дальнейшем эффективно использовать для анализа процесса волочения и расчетов технологического процесса.

2. Проведен анализ процесса волочения с учетом предложенного закона упрочнения исследуемых сталей. Теоретический анализ позволил определить влияние упрочнения на все параметры волочения и получить расчетные формулы. Получена формула для определения напряжения волочения, которая

отражает влияние угла волоки, коэффициента трения, коэффициента упрочнения, прочности заготовки и позволяет анализировать реальный процесс.

3. Исследовано влияние нагрева проволоки при волочении. Показано, что оптимальными условиями являются те, при которых прирост прочности при волочении соответствует величине прироста напряжения волочения от сил трения. Введение понятия оптимальной вытяжки при т = -а позволяет однозначно определить долю работы, идущей на нагрев проволоки, преодоление сил внешнего трения и упрочнение. На этой основе разработана методика расчета нагрева про волоки по маршруту волочения.

4.Исследовано влияние закалки, закалки с отпуском на структуру и свойства заготовки. Установлено, что отпуск закаленной заготовки положительно влияет на пластичность при волочении заготовки и свойства готовой проволоки.

Исследовано влияние отпуска на готовом размере и влияние его на характеристики, определяющие конструкционную прочность проволоки, полученной по различным технологическим вариантам.

5. Исследовано влияние сочетания технологических факторов на такие свойства проволоки, как предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость, которые определяют характеристики, надежность и долговечность пружин.

6. Разработана технология производства нержавеющей проволоки как комплекс взаимосвязанных операций, суммарное воздействие которых обеспечивает.получение повышенной конструкционной прочности. Технология производства проволоки

повышенной конструкционной прочности из сталей 04Х18АГ12С2Б, 18Х15Н6АМЗ, 12Х17Н8Г2С2МФ и 13Х18М10ГЭС2М2 внедрена на ОАО "БМК, доказана возможность получения нержавеющей высокопрочной пружинной проволоки с сочетанием комплекса высоких потребительских свойств.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

в монографии-

1. Изготовление высококачественных метизов (научный и практический опыт Белорецкого металлургического комбината) / В.А. Кулеша, H.A. Клековкина, Х.Н. Белалов, Е.В. Савельев и др. Коллективная монография. Белорецк, 1999. 328 с. в статьях-

1. Разработка промышленной технологии изготовления пружинной проволоки для ВАЗа. / С.А. Терских., С.А. Крымчанский, Е.В. Савельев, А.Н. Семавина // Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве: Тез. докл. Магнитогорск, 1990. С. 70.

2. Клековкин A.A.. Савельев Е.В. Термическая обработка при производстве высокопрочной нержавеющей проволоки // Бер-штейновские чтения по термомеханической обработке: Тез. докл. Москва, 1999. С. 16.

3. Травление проволоки из легированных сталей в нейтральном электролите. / Е.В. Савельев, Л.Н. Силантьев, М.Х. Хажее-ва, В.А. Реус // Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве: Тез. докл. Магнитогорск, 1990. С. 68-69.

4.Савельев Е.В., Клековкин A.A., Клековкина H.A. Технология изготовления нержавеющей проволоки особо высокой прочности H.A. // 235 лет в Российской металлургии: Сб. науч. тр. Маг-нитогорск-Белорецк. 1997. С. 82-85. :

5. Клековкин A.A., Дубов Ю.С., Савельев Е.В. Разработка технологии изготовления проволоки из нержавеющих мартен-ситностареющих сталей для атравматических игл // 235 лет в Российской металлургии: Сб. науч. тр. Магнитогорск-Белорецк, 1997. С. 65-70.

6. Клековкина H.A., Клековкин A.A., Савельев E.B. Исследс вание и освоение производства нержавеющей пружинной про волоки из аустенитной высокоазотной стали 04Х18АГ12С2Б i 235 лет в Российской металлургии: Сб. науч. тр. Магнитогорск-Белорецк, 1997. С. 71-82.

7. Белалов Х.Н., Савельев Е.В. Упрочнение стальной прово локи при волочении // Моделирование и развитие технологиче ских процессов обработки металлов давлением: Сб. науч. тр Магнитогорск: МГМА, 1998. С. 116-128

8. Савельев Е.В. Влияние технологических факторов на стабильность механических характеристик проволоки // Обработке сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. По,о ред. Г.С. Гуна. Магнитогорск, 1998. С.161-164.

9. Технология изготовления нержавеющей проволоки с пределом прочности более 3500 Н/мм2 / В.А. Кулеша, A.A. Клековкин, Е.В. Савельев, Х.Н. Белалов // Моделирование и развитие технологических процессов обработки металлов давлением: Сб. науч. тр. Под ред. Г.С. Гуна. Магнитогорск, 1999. С. 70-82.

10. Перспективные способы упрочнения проволоки из нержавеющих сталей / В.А. Кулеша, A.A. Клековкин, Е.В. Савельев, Х.Н. Белалов // Обработка сплошных и слоистых материалов: Сб. науч. тр. Под ред. Г.С. Гуна. Магнитогорск, 1999. С. 145-158.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ существующих технологических процессов производства нержавеющей пружинной проволоки и способов повышения ее конструкционной прочности.

1.1. Формирование конструкционной прочности пружинной проволоки и влияние технологических факторов на ее свойства.

1.2. Влияние степени пластической деформации на свойства пружинной проволоки из нержавеющих сталей.

1.3. Влияние нагрева при деформации и низкотемпературного отпуска на свойства нержавеющей проволоки.

1.4. Анализ существующих технологических процессов производства высокопрочной нержавеющей проволоки.

Выводы и задачи исследования.

2. Исследование упрочнения нержавеющих сталей при волочении.

2.1. Материал и методы исследования.

2.2. Исследование влияния степени деформации на прочностные свойства нержавеющих пружинных сталей.24.

2.3. Анализ зависимости прочности от степени деформации.

Выводы.

3. Исследование процесса волочения нержавеющей проволоки.

3.1. Вывод формулы для расчета напряжения волочения.

3.2. Анализ влияния технологических факторов на напряжение и усилие волочения.

Выводы.

4. Исследование влияния нагрева при волочении и отпуска на готовом размере на свойства проволоки.

4.1. Нагрев проволоки при волочении.

4.2. Исследование влияния нагрева на свойства проволоки.

Выводы.

Высокопрочная нержавеющая проволока является широко распространенным материалом для изготовления пружин, армирования композиционных материалов (армирования листов из сплавов алюминия и магния), изготовления торсионов вертолета, применяется в производстве медицинского инструмента (атравматические иглы, эндоскопы). Для повышения качества подобных изделий необходимо, чтобы прочностные показатели нержавеющей проволоки были реализованы с максимальной эффективностью. Несоответствие между конструкционной прочностью и прочностью материала, определенного на образце проволоки, зависит от формы, размеров и технологии изготовления проволоки и изделия. Конструкционная прочность - комплексное понятие, являющееся сочетанием прочности, надежности и долговечности [1].

Высокая конструкционная прочность проволоки достигается, если обеспечен нужный комплекс ее физико-механических свойств. Для пружинной проволоки это высокие значения временного сопротивления разрыву, предела упругости и усталостной прочности, релаксационной стойкости в сочетании с достаточным уровнем пластических свойств.

Анализ технологии производства высокопрочной нержавеющей проволоки показывает, что в этой области имеются еще значительные резервы повышения ее конструкционной прочности, а, следовательно, и качества пружин.

В качестве материала для изготовления пружинной проволоки в последние годы используются новые нержавеющие пружинные хромо-марганцевые и хромо-марганцево-никелевые стали с улучшенными свойствами за счет комплексного легирования азотом, кремнием, углеродом, ванадием и молибденом. Это аустенитные стали с нестабильным аустенитом (кроме 1ЭХ18Н10ГЗС2М2), так как в процессе пластической деформации наблюдаются фазовые превращения [2]. Свойства проволоки из этих сталей зависят не только от состава стали, но в значительной степени от технологии волочения и режимов обработки проволоки на готовом размере. Формирование конструкционной прочности при изготовлении пружинной проволоки происходит на всех стадиях технологии ее производства на базе свойств самой стали, а сочетание необходимых свойств достигается обоснованным выбором режимов операций на каждом переделе. В связи с этим представляется актуальной разработка технологии производства проволоки из сложнолегированных нержавеющих сталей Х18АГ12С2Б, 12Х17Н8Г2С2МФ, 18Х15Н6АМЗ, 1ЭХ18Н10ГЗС2М2 с целью создания проволоки для изготовления пружин и других изделий, обладающей сочетанием свойств, обеспечивающих высокие нагрузочные характеристики, надежность и долговечность изделий. Для этого необходимо изучить основные закономерности изменения свойств проволоки от технологических факторов и на основе этого определить необходимые методы расчета параметров технологии производства проволоки применительно к каждой марке стали; экспериментально и в производственных условиях проверить эффективность разработанной технологии, оценить ее влияние на конечные свойства и эксплуатационные показатели пружинной проволоки повышенной прочности.

Теоретическую новизну и практическую значимость работы характеризуют следующие положения:

- Исследовано влияние степени деформации при волочении и температуры отпуска на свойства проволоки из сталей Х18АГ12С2Б, 12Х17Н8Г2С2МФ, 18Х15Н6АМЗ, 13Х18Н10ГЗС2М2; предложены методы расчета упрочнения.

- Разработаны методы расчета параметров волочения проволоки из нержавеющих сталей и выбора режимов обжатий по маршруту.

- Разработана технология производства высокопрочной нержавеющей пружинной проволоки из выбранных марок сталей. 7

- Технология производства проволоки из сталей Х18АГ12С2Б, 12X17Н8Г2С2МФ, 18Х15Н6АМЗ, ВХ18Н10ГЗС2М2 внедрена на ОАО «Белметкомбинат».

Выводы

На основании исследований, результаты которых изложены в настоящей главе, можно сделать выводы

- Нагрев холоднодеформированной проволоки в процессе волочения достигает значительных температур, которые можно рассчитать по предложенной методике. Ввиду неопределенности процесса охлаждения проволоки при волочении, целесообразно производить максимальную степень охлаждения волок и барабанов, а особенно, самой проволоки, т.к. кратковременный нао грев до температуры 500 С оказывает положительное влияние, а дальнейшее повышение температуры и времени выдержки ухудшает ее свойства. Предпочтительным является волочение на жидкой смазке и прямое охлаждение проволоки на чистовом барабане.

- Дополнительное регулирование свойств проволоки возможно производить за счет отпуска проволоки на готовом размере. Максимальный прирост прочности и лучшее сочетание прочностных и пластических свойств наблюо дается при температуре 400-500 С.

- Степень деформации перед отпуском рекомендуется Ц = 2,5-5,0.

- Пластическая деформация ускоряет процесс старения, способствует равномерному распределению выделений избыточной фазы при старении. Хотя выделения избыточной фазы отрицательно влияют на пластические свойства и коррозионную стойкость проволоки, но при равномерном их распределении эффект отрицательного влияния снижается.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ НА УСТАЛОСТНЫЕ И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

ПРОВОЛОКИ

Нагрузочные характеристики пружин существенно зависят от упругих свойств материала. Сопротивление материала микропластической деформации (усталости и релаксации напряжений) после различных режимов пластической деформации и термической обработки, а также совместного воздействия температуры и деформации оценивается пределом упругости, который прямо указывает на величину напряжения, соответствующего определенной остаточной деформации [2,71].

На рис. 2.2-2.5 проведены кривые изменения временного сопротивления разрыву и предела упругости проволоки из исследуемых сталей в зависимости от степени деформации. Как и временное сопротивление разрыву, предел упругости растет с увеличением степени деформации. По временному сопротивлению разрыву и пределу упругости проволоки стали 04Х18АГ12С2Б, 18Х16Н6АМЗ, 12Х17Н8Г2С2МФ и 13Х18Н10ГЭС2М2 после обжатия на 6080 % существенно превосходят проволоку из стали Х18Н9Т. Преимущество исследуемых сталей по указанным характеристикам связано с особенностями дислокационной структуры, формирующейся при пластической деформации. Особенности дислокационной структуры обусловлены более низким уровнем энергии дефектов упаковки аустенита, благодаря легированию этих сталей Мп,

81. Кроме того, в сталях 12Х17Н8Г2С2МФ, 13Х18Н10ГЗС2М2, 18Х16Н6АМЗ ванадий и молибден повышают сопротивление большим и малым пластическим деформациям при испытаниях на усталость и релаксацию [2]. Последеформационный нагрев приводит к возрастанию временного сопротивления разрыву и предела упругости (см. рис. 4.3-4.7). Интенсивность прироста предела упругости в процессе нагрева выше, чем временного сопротивления разрыву. Повышение температуры нагрева проволоки выше 800 °С приводит к снижению предела упругости. Максимальное значение предела упругости достигается при 400-500 °С, и его значение выше, чем у проволоки из стали

47 (э

12Х18Н9Т. Усталостная прочность и релаксационная стойкость определяют надежность и долговечность службы пружин. Оценку усталостной прочности проволоки проводили по известной методике на основании данных сравнительных испытаний при определенных напряжениях на пробежной машине ПТ-2 (ГОСТ 2387) и путем знакопеременного кручения с изгибом [72,73]. Испытания на машине ПТ-2 проводили на роликах диаметром 120 мм при нагрузке, равной 10 % разрывного усилия проволоки [72,74]. Проволоку для испытаний протягивали с обжатием 30, 60 и 90 %. Испытания проволоки проводились в двух состояниях: после волочения и отпуска и в накопленном состоянии после волочения. Результаты испытаний (средние из пяти испытаний) приведены в табл. 5.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В настоящей работе разработка технологии производства нержавеющей пружинной проволоки рассматривалась как создание комплекса взаимосвязанных операций, суммарное воздействие которых обеспечивает получение повышенной конструкционной прочности. Исследованные марки стали, хотя и создавались с целью получения нержавеющих высокопрочных материалов, однако режимы исполнения технологических операций производства высокопрочной пружинной проволоки из сталей 04Х18АГ2С2Б, 18Х15Н6АМЗ, 12Х17Н8Г2С2МР, 13Х18Н10ГЭС2М2 были отработаны впервые. Это позволило получить проволоку высокой конструкционной прочности, намного превосходящей по свойствам проволоку из традиционно применяемой стали Х18Н10Т. Испытания пружин и изделий из этой проволоки, проведенные в условиях приближенных к условиям эксплуатации, показали преимущества нержавеющей проволоки из исследуемых сталей по всему комплексу свойств. Конкретные данные по технологии производства и свойствам проволоки приведены в табл. 6.5.

2. Изучение характера и механизмов упрочнения проволоки из исследуемых сталей позволили установить общие закономерности изменения свойств проволоки при волочении, высказать общую гипотезу упрочнения и получить необходимые математические зависимости повышения прочностных свойств от степени деформации. Введение показателя упрочнения ш = 1п — / 1п // о-. позволило получить эту зависимость в очень простом виде а = (70}Лт и в дальнейшем эффективно использовать для анализа процесса волочения и расчетов технологического процесса. Обработка экспериментальных данных показывает, что характер зависимости ш — 1п |И для разных сталей имеет различие, что объясняется, главным образом, особенностями процессов, протекающих при деформации указанных сталей. В дальнейшем, по мере накопления данных, эти кривые позволят проводить прочностные расчеты при выборе маршрутов волочения. Полученные в настоящем исследовании кривые упрочнения для сложно легированных сталей показывают, что коэффициент упрочнения ш имеет максимальное значение в первой протяжке, а затем, по мере увеличения вытяжки, уменьшается. Подобный характер изменения упрочнения высказывался многими исследователями. Нам удалось показать, что это напрямую зависит от степени поглощения энергии металлом при деформации, в соответствии с физической природой пластической деформации при холодном волочении.

3. Проведен анализ процесса волочения с учетом предложенного закона упрочнения исследуемых сталей. Теоретический анализ позволил определить влияние упрочнения на все параметры волочения и получить расчетные формулы. Полученная формула для определения напряжения волочения

Ьа\ вол = ш -а отражает влияние угла волоки, коэффициента трения, коэффициента упрочнения, прочности заготовки и позволяет анализировать реальный процесс. При различных допущениях эта формула превращается в формулы для определения напряжения известных авторов [59,60,64].

Анализ формулы позволил определить максимально допустимые вытяжки без учета трения, но с упрочнением и™ = — г^гпах

-mj

Определена максимальная вытяжка с учетом угла волоки, коэффициента трения и упрочнения тах 1 Л1/т

V 1-т у наименьшее напряжение волочения достигается при Ш = -а или СС = агсс^

Оптимальный угол волоки при волочении, обеспечивающий ш 7 где а - оптимальный угол волоки; Г - коэффициент трения при волочении; Ш -коэффициент упрочнения.

Напряжение волочения в идеальных условиях без внешнего трения, но с упрочнением: а виол = — (//т - !)• т

Из этого следует, что

Я = а" т + { с вол м ш

1 ^

Км -м ) вол Ьш есть доля напряжения волочения, затраченная полезно, а 1- X - доля напряжения волочения, направленная на преодоление сил трения. На этом основании можно считать, что в зависимости от условий трения, на преодоление сил трения расходуется от 0,5 до 0,7 авол (табл. 3.3). Из формулы по определению показателя Ш следует, что только часть напряжения волочения (чистой работы деформации) расходуется на упрочнение, а остальная часть рассеивается в виде тепла нагрева. Изменение доли напряжения волочения или энергии, идущей на упрочнение при волочении без трения, определяется коэффициентами из табл. 4.3. На этом основании уточнены расчеты Р.Б. Красилыцикова [67,68] о распределении мощности волочения на упрочнение, внешнее трение, а также нагрев при волочении. Эти данные вносят значительные корректировки при расчетах нагрева проволоки.

Зависимость отношения напряжения волочения к прочности переднего конца проволоки Кв от т, £ а и |Д приведена в табл. 3.4. Из рис. 3.5 следует, что для принятых в промышленности условий волочения Кв «0,5.

Для приближенных расчетов усилия волочения предложена формула т

Показатель упрочнения Ш можно принимать по экспериментальным данным (например, см. рис. 2.15).

4. Исследовано влияние нагрева проволоки при волочении. Показано, что оптимальными условиями являются те, при которых прирост прочности при волочении соответствует величине прироста напряжения волочения от сил трения. Это соотношение в процессе волочения редко соблюдается при анализе ш а процесса волочения. Введение понятия оптимальной вытяжки при позволяет однозначно определить долю работы, идущей на нагрев проволоки, преодоление сил внешнего трения и упрочнения. Мощность волочения, идущая на нагрев проволоки, составляет нагрев = ^"вол ^ ' где X - доля напряжения волочения без трения;

Г| - доля напряжения волочения, идущая на упрочнение; Рк - конечное сечение проволоки; V - скорость волочения.

Результаты расчета нагрева проволоки при волочении существенно отличаются от данных, рассчитанных по методике Красилыцикова Р.Б. [67,68]. Сравнение расчетных температур нагрева проволоки с данными экспериментов показывают их достаточно хорошее совпадение. Эта методика может быть принята для расчета температуры проволоки по маршруту волочения. Учитывая, что процесс нагрева близок к адиабатическому, и разницу в условиях нагрева в первых и последних протяжках, а также количество энергии волочения, превращающейся в тепло по различным протяжкам маршрута, показано, что на свойства проволоки главное влияние оказывает скорость охлаждения проволоки на конечных протяжках.

5. В целях обоснования параметров технологии производства проволоки из указанных марок сталей проведены следующие исследования, которые определили особенности технологии и свойства проволоки из сталей 04X18А12С2Б, 18Х15Н6АМЗ, 12Х17Н10ГЗС2М2.

Исследовано влияние закалки и закалки с отпуском на структуру и свойства заготовки. Установлено, что отпуск закаленной заготовки положительно влияет на пластичность при волочении заготовки и свойства готовой проволоки.

Исследованы закономерности фазовых превращений и свойств проволоки при волочении с разными степенями деформации. Установлены закономерности изменения прочностных и пластических характеристик проволоки в широком диапазоне обжатий (вытяжек).

Исследовано влияние отпуска на готовом размере и влияние его на характеристики, определяющие конструкционную прочность проволоки, полученной по различным технологическим вариантам.

Исследовано влияние сочетания технологических факторов на такие свойства проволоки, как предел упругости (ао,05)> предел выносливости и релаксационную стойкость, которые определяют характеристики, надежность и долговечность пружин.

6. Технология производства проволоки повышенной конструкционной прочности из сталей 04Х18А12С2Б, 18Х15Н6АМЗ, 12Х17Н8Г2С2МФ, и 13Х18М10ГЗС2М2 внедрена на ОАО «Белметкомбинат». В процессе освоения технологии доказана возможность получения нержавеющей высокопрочной пружинной проволоки с рациональным сочетанием свойств. На производство проволоки из этих сталей разработана нормативно-техническая документация. Освоение технологии производства проволоки повышенной конструкционной прочности позволило: создать конструкционный материал для высоконагруженных теплостойких пружин тормозной аппаратуры большегрузных автомобилей, пружин клапана двигателя, пружин водяного насоса, пружин плунжеров, имеющих высокую релаксационную стойкость и надежность до 450 °С. Эти

1. Гудцов Н.Т., Бернштейн M.JL, Рахштадт А.Г. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: Справочник. М.: Металлургиздат, 1957. -120 с.

2. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1971. -496 с.

3. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Часть 2. Конструкционная прочность. М.: Машиностроение, 1974. - 368 с.

4. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М: Мир, 1972. -408 с.

5. Codd R.M., Petch N.J. Dislocation locking by Carbon, Nitrogen and Boron in L-Iron. - Phil. Mag., 1960, V.5, No. 49, p. 30-42.

6. Маклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: Мир, 1970.-143 с.

7. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холодно-деформированной стали. Киев: Наукова думка, 1974. - 230 с.

8. Потемкин К.Д. Термическая обработка и волочение высокопрочной проволоки. М.: Металлургия, 1963.

9. Производство проволоки из углеродистых сталей / И.И. Крымчанский, С.А. Терских, С.И. Платов, С.А. Морозов. Магнитогорск, 1999. - 106 с.

10. Колпашников А.И., Белоусов A.C., Мануйлов В.Ф. Высокопрочная нержавеющая проволока. М.: Металлургия, 1971. - 184 с.

11. Гуляев А.П., Афонина В.М. Пути повышения прочности проволоки из нержавеющих сталей // Металловедение и термическая обработка металлов, 1971, № 1. с. 5-10.

12. Соколов Н.В., Бобылева С.Ф., Рольщиков Л.Д., Андрианова A.A. Особенности производства пружинной проволоки из нержавеющей стали // Сталь. № 4, 1966. С. 379.

13. Красильщиков Р.Б. Деформационный нагрев и производительность волочильного оборудования. -М: Металлургия, 1970. 168 с.

14. Красильщиков Р.Б. Нагрев при холодном волочении проволоки. М: Металлургиздат, 1962. - 88 с.

15. Волокнистые композиционные материалы. Пер. с англ. М.: Мир, 1967.-284 с.

16. Красильников Л.А., Зубов В.Я. Релаксационная стойкость и циклическая прочность холоднотянутой проволоки. М.: Металлургия, 1970. - 168 с.

17. Зубов В.Я., Красильников JI.A. Релаксационная стойкость проволоки из стали Х18Н9Т // Известия вузов. Черная металлургия, 1963, № 4. С. 109.

18. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 456 с.

19. Иванова B.C. Разрушение металлов. М.: Металлургия, 1979. - 168 с.

20. ЭфериД., Бэкофен В. Разрушение твердых тел. М.: Металлургия,1967.- 155 с.

21. Борздыка A.M., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1972. - 304 с.

22. Зубов В.Я., Грачев C.B. Структура и свойства стальной пружинной ленты. М.: Металлургия, 1964. - 224 с.

23. Бараз В.Р., Грачев C.B., Попова JI.E. и др. Влияние термомеханической обработки на упрочнение и релаксационную стойкость аустенитных нержавеющих сталей // Известия вузов. Черная металлургия, 1978, № 2. С. 113-116.

24. Бараз В.Р., Грачев C.B., Моисеева Г.Г. и др. Структурные особенности и релаксация напряжений в хромоникелевой аустенитной стали // Известия вузов. Черная Металлургия, 1975, № 12. С. 102-105.6~6~

25. Грачев C.B., Битюков С.М., Перебоева A.A. Термическая стабильность коррозионностойких пружинных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов, 1980, № 10. С. 47-49.

26. Бараз B.P., Грачев C.B. Влияние состава и термопластической обработки на упрочнение и релаксационную стойкость немагнитных аустенитных сталей для пружин и упругих элементов. В сб.: Высокопрочные немагнитные стали. М.: Наука, 1978. С. 61-68.

27. Бараз В.Р., Грачев C.B., Валавина Г.И. Термическая стабильность стареющих аустенитных сталей // Физика металлов и металловедение, 1974. Т. 38, Вып.5. С. 1044-1049.

28. Бараз B.P., Грачев C.B., Казяева И.Л. Особенности структуры и термическая устойчивость сталей // Физика металлов и металловедение, 1974, Т. 37, Вып. 4.-С. 837-841.

29. Банных O.A., Блинов В.М., Клековкина H.A. Структура и механические свойства проволоки из аустенитных сталей для нержавеющих пружин // Металловедение и термическая обработка металлов, 1984, № 5. С. 59-61.

30. Бочаров А.Н., Борздыка A.M. Релаксационная стойкость аустенитной стали с азотом // Металловедение и термическая обработка металлов, 1971, № 1.-С. 58-60.

31. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. М.: Металлургия, 1967. 231 с.

32. Богачев И.Н., Еголаев Е.Ф. Структура и свойства железомарганцевых сплавов. М.: Металлургия, 1973. 171 с.

33. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. М.: Металлургия, 1973. - 584 с.

34. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-микроскопический анализ металлов. М.: Металлургия, 1970. 368 с.

35. Вишняков Я.Д. Дефекты упаковки в кристаллической структуре. М.: Металлургия, 1970. - 215 с.

36. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Структура и механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1970, - 472 с.

37. Испытания материалов: Справочник. Под ред. Блюменауэра Х.М. М.: Металлургия, 1979. - 448 с.

38. Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980. -320 с.

39. Чернышев Е.Г., Чучурина E.H., Чернышева Н.Г. и др. Магнитные измерения. Комитет стандартов, 1969. 247 с.

40. Берман Р. Теплопроводность твердых тел. Пер. с англ. М.: Мир, 1979, - 285 с.

41. Розенфельд И.Л., Жигалова К.А. Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов. М.: Металлургия, 1966. - 347 с.

42. Бараз В.Р., Грачев C.B., Григорьева В.Н. и др. Исследование модуля упругости аустенитных сплавов, подвергнутых ТМО // Физика металлов и металловедение, 1978. Т. 46. Вып. 4. С. 1053-1058.

43. Schuman H. Verformungsindustrie Martensitbldung in metastabilen austenitischen Stahlen. Krist/ und Techn., 1975, b. 10, N 4, S. 401-411.

44. Вишняков Л.Д., Фанштейн Г.С. Превращения в металлах с различной энергией дефектов упаковки. М.: Металлургия, 1981. - 136 с.

45. Кулеша В.А., Клековкин A.A., Савельев Е.А. и др. Технология изготовления нержавеющей проволоки с пределом прочности более 3500 Н/мм // Моделирование и развитие технологических процессов обработки металлов давлением. Магнитогорск, 1999. - С. 70-82.

46. Бараз В.Р., Покачалов В.В. Кинетические особенности старения деформированного аустенитного сплава 13Х18Н10ГЗС2М2 // Физика металлов и металловедение, 1981, т.51. С. 985-990.

47. Третьяков A.B., Трофимов Г.К., Гурьянова М.К., Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. М.: Машиностроение, 1971.

48. Аркулис Г.Э. О максимальной вытяжке при волочении // Тр. конф. по метизному производству. М.: ЦБТИ, 1961.

49. Туленков К.И., Злотников М.И., Бобылева С.Ф. Механические свойства стальной наклепанной проволоки II Сталь, 1956, № 9. С. 821-825.

50. Белалов Х.Н., Савельев Е.В. Упрочнение стальной проволоки при волочении У/ Моделирование и развитие технологических процессов обработки металлов давлением: Сб. науч. тр. Магнитогорск, 1998. - С. 115-128.

51. Petch N.J. J. Iron a. Steel Inst., 1953. P. 25.

52. Паршин В.Г., Васильев С.П. Механические свойства стальной наклепанной проволоки II Сталь, 1956, № 9. С. 821-825.

53. Приданцев М.В., Талов Н.П., Левин Ф.Л. Высокопрочные аустенитные стали. М.: Металлургия, 1969. - 248 с.

54. Потемкин К.Д. Механизм пластической деформации и свойства проволоки с различной структурой // Тр. конф. по метизному производству. М.: ЦБТИ, 1961.-С. 63-73.

55. Потемкин К.Д. Структура и свойства высокопрочной проволоки, способы ее производства: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1960. - 18 с.

56. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М: Металлургия, 1971. - 448 с.

57. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов т.З. М.: ГНТИ литературы по черной и цветной металлургии, 1970.

58. Э. Томисен, И. Янг, Ш. Кобаяши. Механика пластических деформаций при обработке металлов. М.: Машиностроение, 1969.

59. Белалов Х.Н., Савельев Е.В. Анализ процесса волочения стальной проволоки // Производство проката, 1999, № 5.

60. Ш. Гепеи. Расчет усилий и энергии при пластической деформации металлов. М.: ГНТИ, 1958.

61. Зыков Ю.С. Теория волочения сплошных профилей. Киев, 1991. 113 с.

62. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности. М.: Металлургия, 1987.-382 с.

63. Колмогоров В.Л., Орлов С.И., Селищев К.П. Волочение в режиме гидродинамического трения. М.: Металлургия, 1967.

64. Красильщиков Р.Б. Нагрев при холодном волочении проволоки. М.: Металлургия, 1962.

65. Красильщиков Р.Б. Деформационный нагрев и производительность волочильного оборудования. М.: Металлургия, 1970.

66. Бараз В.Р., Покачалов В.В. Выделение избыточных фаз при старении деформированной аустенитной стали 13Х18Н10ГЗС2М2 // Физика металлов и металловедение, 1982. Т. 54. Вып. 3. С. 615-617.

67. Усова Л.Ф., Толмачева Г.А. Электронно-микроскопическое исследование распада твердого раствора аустенита нержавеющих сталей // Металловедение и термическая обработка металлов, 1972, № 3. С. 17-19.

68. Пастухова Ж.П., Рахштадт А.Г. Пружинные сплавы меди. М.: Металлургия, 1979. 336 с.

69. Белалов Х.Н., Баталов Г.В., Поляков М.Г. и др. Выносливость высокопрочной композиционной проволоки // Технический прогресс в метизном производстве. М.: Металлургия, 1977, № 6. С. 38-40.

70. Залялютдинов К.Г., Игметов В.А., Гладченко В.В. Отраслевая методика по ускореной оценке предела выносливости стальной проволоки. Магнитогорск, 1980. - 33 с.

71. Форрест П. Усталость металлов. М.: Машиностроение, 1968. - 236 с.

72. Мешков Ю.А. Физические основы разрушения стальных конструкций. Киев: Наукова думка, 1981. 238 с.

73. Носкова Н.И., Малышев К.А., Бумыкова Э.Д. Дефекты упаковки в сплавах Fe-Ni и Fe-Ni-Cr в аустенитном и мартенситном состояниях // Металлофизика, 1974, № 4. С. 28-30.

74. Палов В.А., Носкова Н.И., Кузнецов Р.И. Влияние дефектов упаковки на механические свойства // Физика металлов и металловедение, 1967. Т. 24. Вып. 5. С. 947-965.

75. Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургиздат, 1959, т.1, 2. С. 700, 706, 708, 709.

76. Коломбье JL, Гохман И. Нержавеющие и жаропрочные стали. М.: Металлургиздат, 1958. 479 с.

77. Меськин B.C. Основы, легирования .сталей. М.: Металлургия, 1964. 684 с.

78. Банных О.А., Блинов В.М. Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадий содержащие стали. М.: Наука, 1980. - 190 с.

79. Рашев Ц.В. Производство легированной стали. Пер. с болг. М.: Металлургия, 1981. - 248 с.

80. Fujikura М., Takada К. Effect of Manganese and Nitrogen on the Mechanical Properties of Fe 18 %, Cr - 10 %, Ni Stainless Steels. Trans Iron Steel Inst. Japan, 1975, vol. 15, No 9, - p. 469/

81. Фельдганделер Э.Г., Савкина Л.Я. Хромоникелевые низкоуглеродистые нержавеющие стали с азотом // Специальные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1974.-С. 40-43.

82. Банов P.M., Златева Г.З. Влияние азота на концентрацию дефектов упаковки в Cr-Mn-аустените // Известия вузов АН СССР. Металлы, 1977, № 2. С. 172-176.

83. Голикова В.В., Журавлев Л.Г., Штейнберг М.М. и др. Исследование мартенситного превращения при пластической деформации аустенитного сплава на Fe-Ni основе // Физика металлов и металловедение, 1969. Т. 27. Вып. 3. -С. 478-483.

84. Гольштейн М.И., Гринь A.B., Блюм Э.Э. и др. Упрочнение конструкционных сталей нитридами. М.: Металлургия, 1970. - 224 с.

85. Савельев Е.В. Влияние технологических факторов на стабильность механических характеристик проволоки // Обработка сплошных и слоистых материалов: Сб. науч. тр. Магнитогорск, 1998. С. 161-164.

86. Бусалов Ю.Е., Гарицкий В.М. Коньев И.М. Усталостное разрушение высокопрочных стальных проволок // Физика металлов и металловедение. Т. 38. Вып. 2. 1974.-С. 410-415.

87. Бернштейн М.Л., Ковалева А.Д. Изменение строения холоднодеформи-рованных сталей Х18Н9Т и Х25Т при нагреве // Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1960, № 8. - С. 25.

88. Савельев Е.В., Клековкин A.A., Клековкина H.A. Технология изготовления нержавеющей проволоки особо высокой прочности // 235 лет в Российской металлургии: Сб науч. тр. под ред. академика В.А. Кулеши. Магнитогорск: МГМА, 1997. - С. 82-85.

89. Кулеша В.А., Белалов Х.Н., Клековкина H.A. и др. Изготовление высококачественных метизов. Белорецк, 1999. - 328 с.

90. Кулеша В.А., Клековкин A.A., Савельев Е.В. и др. Перспективные способы упрочнения проволрки из нержавеющих сталей // Обработка сплошных и слоистых материалов: Сб. науч. тр. Магнитогорск, 1999. - С. 145-158.

91. Клековкин A.A., Савельев Е.В. Термомеханическая обработка при производстве высокопрочной нержавеющей проволоки // Бернштейновские чтения по термомеханической обработке: Тез. докл. М., 1999. С. 16.

92. Сачков В.В., Покровская Н.Г., Потак Я.М. Деформация нержавеющих сталей с различной стабильностью аустенита // Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1977, № 12.

93. Пастухова Ж.П., Каплун Ю.А., Васильев Н.В. Деформационное упрочнение пружинных сплавов // Новые сплавы и методы упрочнения деталей машин. М., 1981.-С. 66-80.

94. Igbal Tahir М. Effect of ageing on 18 Cr-12 Ni austenitic stainless steels. Pakiston J. Scr. Res 1975, 27, № 1, 166-168.

95. Банных O.A., Блинов B.M., Клековкина H.A. и др. Высокоазотистые хромо-марганцевые стали с кремнием И Материалы первого болгаро-советского симпозиума по методам обработки материалов газовым противодавлением. -София, 1983.

96. Фридляндер И.Н., Юдина С.А., Коновалова H.A. и др. Композиционные материалы системы Al-сталь // Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, № 10, 1978. - С. 36-39.

97. Фридляндер И.Н., Северденко В.П., Юдина С.А. и др. Композиционный материал на основе алюминия, армированный проволокой из стали ВИС-9Ш // Волокнистые и дисперсно-упрочненные композиционные материалыв. -М.: Наука, 1976.- 216 с.

98. Богомолов А.Н. Влияние состава и термомеханической обработки на структуру и свойства пружинных сталей на основе нестабильного аустенита: Автореф. дис. . канд. техн. наук-Свердловск, 1981.