автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Теория и технология стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков малопластичных сталей и сплавов

На правах рукописи Для с л ужо б ног о пользопаяля экз.№ О^З

ГАЛКИН Сергей Павлозич

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СТАЦИОНАРНОЙ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ЗАГОТОВОК И ПРУТКОВ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Специальность 05.16.05 -«Обработка металлов дапланиом»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре Обработки металлов давлением Московского государственного института стали и сплавов:

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор П. И. Полухин

Официальные оппоненты:

член-корр. РАН, доктор технических наук, профессор С П. Ефименко; доктор технических наук, профессор Б.Н. Матвеев;

доктор технических наук, профессор P.M. Голубчик.

Ведущее предприятие: завод "Сольмаш" (г. Киров)

_ • с"='

Защита диссертации состоится « » ннэмя 1998 г. в час на заседании диссертационного совета Д 053.08.02 при Московском государственном институте стали и сплавов. Адрес института: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » 1998г.

Справки по телефону: 236-01-27

Ученый секретарь диссертационного совета проф., д.т.н.

Романцев Б.А.

ВВЕДЕНИЕ

Стремление сократить технологические потери дорогостоящих материалов, снизить издержки передела имеет стабильную актуальность в производстве прутков из легированных металлов и сплавов с пониженной пластичностью. Современные условия оборота металлопродукции обостряют проблему новыми требованиями. Особую ценность приобретает возможность оперативного производства и поставки качественного проката ограниченными партиями в расширенном размерно-марочном сортаменте. Отмечается растущий спрос на передовые материало-, ресурсосберегающие прокатные технологии с реальной инвестиционной перспективой. У нас в стране и за рубежом активностью продвижения в промышленность выделяются процессы, синтезирующие в себе элементы непрерывного и дискретного деформирования (планетарные сортовая и винтовая прокатки, маятниковая прокатка, процессы ковки-прокатки, шаговой прокатки и др.) Стационарная винтовая прокатка, естественно и нераздельно соединяя дискретность и непрерывность своей сущностью, занимает на обозначенном направлении уникально предпочтительнее положение. Во многом благодаря этой особенности, винтовая прокатка-присутствует на широчайшем спектре производственного применения, включающем: трубное; деталепрокатное и сортопрокатное производство. Каждое из перечисленных направлений имеет вполне определенную самостоятельность как в производственном отношении, так и в теории, рас-четно-аналитическом обеспечении. Стационарная винтовая прокатка сплошных заготовок (радиально-сдвиговая прокатка), это хронологически, третье, динамически развивающееся направление. В нем сосредоточен мощный, не вполне реализованный, потенциал по созданию эффективных прокатных технологий для различных металлов и сплавов, в том чис^ ле и особенно, малопластичных..

Цель и задачи исследования: Целью является развитие теории, научное обоснование, разработка и внедрение прогрессивной технологии и оборудования стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков из малопластичных сталей и сплавов.

Указанная цель достигается решением следующих задач:

- развитие теории и создание расчетно-аналитического обеспечения' процесса стационарной винтовой прокатки с учетом непрерывно-дискретного характера процесса и локальности приложения деформирующего воздействия, позволяющего описать закономерности кинематики конечного формоизменения, объемной неравномерности пластического течения, поциклового развития деформации металла и оценить тепловое состояние заготовки;

- исследование процесса винтовой прокатки, разработка методики и оценка деформируемости заготовок из малопластичных сталей и сплавов при различных технологических режимах;

- разработка режимов прокатки и универсальных калибровок технологического инструмента для бездефектного деформирования малопластичных сталей и сплавов;

- исследование особенностей структурного строения, физико-механических и служебных свойств металла, деформированного стационарной винтовой прокаткой;

- определение технологических возможностей процесса для создания специальных способов пластической обработки малопластичных сплавов, сочетающих винтовую прокатку с другими процессам ОМД

( прокаткой в калибрах, прессованием и др; )

- разработка нового способа винтовой прокатки на одном стане в несколько проходов - реверсивной винтовой прокатки - и его вариантов;

- синтез,-проектирование, изготовление и внедрение эффективных министанов винтовой прокатки, как технико-технологических прокатных систем, специализированных на оперативное производство точных прутков мелких и средних сечений ограниченными партиями в расширенном сортаменте.

Научная новизна: Теоретически обоснована и установлена область определения факторов процесса стационарной винтовой прокатки для рациональной технологии деформирования малопластичных сталей и сплавов. Представлена формулировка закона постоянства секундных объемов в параметрах винтового движения частей заготовки вне очага деформации с учетом пластического скручивания, связывающая конечное изменение скорости перемещения металла с совокупным влиянием изменения габаритных размеров (коэффициента вытяжки) заготовки и геометрии винтовых траекторий. Разработано расчетно-аналитическое обеспечение процесса, включающее Методики: кинематической оценки неравномерности пластического течения металла в объеме очага деформации; анализа закономерностей формирования температурного поля заготовки; поциклового развития деформации с учетом тангенциальной раскатки и выходом на макрорельеф поверхности получаемого проката; расчета энергосиловых параметров процесса в статическом и энергетическом подходах. Разработаны способы реверсивной винтовой прокатки, расширяющие классификацию схем винтовой прокатки. Созданы рациональные технологические режимы винтовой прокатки, позволяющие бездефектно прокатывать широкую гамму малопластичных сталей и сплавов с коэффициентами вытяжки за проход 1,6...4,5 и более с применением универсальных калибровок рабочих валков, обеспечивающие благоприятное воздействие на структурное строение, улучшение физико-механических и служебных свойств легированных металлов и сплавов различного назначения и металлургического исполнения. Синте-

зирована технико-технологическая прокатная система - «министан винтовой прокатки» -, специально ориентированная на получение точного проката мелких и средних (до 8...10 мм) сечений.

Практическая ценность: Разработаны способы стационарной, винтовой прокатки, универсальные калибровки рабочего инструмента, технологические схемы и оборудование для получения заготовок и прутков из малопластичных сталей и сплавов, позволяющие снизить расход энергии и металла на передел, повысить качество поверхности, точность геометрических параметров, физико-механические и служебные свойства проката. Новизна, оригинальность и промышленная применимость разработанных объектов промышленной собственности защищена 20 патентами СССР и РФ.

Предложенное расчетно-аналитическое обеспечение стационарной винтовой прокатки сплошных заготовок широко используется в научно-исследовательских, производственно-технологических и проектных работах по созданию, внедрению и совершенствованию новой прокатной техники и технологии, цитируется в научно-учебной литература, применяется в учебном процессе МГИСиС.

Реализация в промышленности: Разработанная технология деформирования малопластичных сталей и сплавов осуществлена на' среднесортно-мелкосортно-проволочном стане 350/250 ' АО «Электросталь», имеющем в составе обжимной группы специальную реверсивную клеть стационарной винтовой прокатки (изготовления ПО «Электростальтяжмаш»),

Разработан и утвержден ряд технических заданий на применение технологии стационарной винтовой прокатки взамен ковки на молотах.

В период с 1992 по 1997 годы изготовлено и внедрено более .10 ми-нистанов винтовой прокатки различных типоразмеров, воспроизводящих разработанную технологию. На использование в производстве патентно-охраняемых объектов промышленной собственности заключено 3 лицензионных договора.

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

1. Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы производства специальных сталей и сплавов", г. Электросталь, 1981 г.;

2. И-ой всесоюзной научно-технической конференции «Сверхпластичность металлов», Москва, 1981 г.; '

3. 1-ой международной конференции по титану, Москва, 1994 г.;

4. I и И-ом международном Конгрессах прокатчиков, Магнитогорск (1995 г.), Череповец (1997 г.);

5. Научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации», посвященной памяти П.И.Полухина,

Москва, 1996г.,

а также на коллегиях' государственных комитетов, научно-технических советах металлургических предприятий, отраслевых институтов и ВУЗов.

Публикации: Основное содержание работы опубликовано в 22 работах, 20 патентах СССР и РФ, 15 авторских свидетельствах.

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, 7 глав и выводов, включающих 269 страниц машинописного текста, 95 рисунков, таблиц, библиографию иа/6с?наименований источников отечественных и зарубежных авторов и приложения.

Развитие теории и создание расчетно-аналитического обеспечения стационарной винтовой прокатки сплошных заготовок

Развитие теории и создание расчетно-аналитического обеспечения стационарной винтовой прокатки выполнено по комплексу вопросов, решение которых приоритетно для создания технологий деформирования малопластичных сталей и сплавов. К ним в первую очередь относится:

- согласование кинематики пластического течения металла и движения деформирующего инструмента;

- оценка и ограничение неравномерности пластического течения металла;

- хронология развития деформации и энергосиловые параметры процесса;

- тепловое состояние заготовки.

Кинематика и геометрия траекторий жесткого винтового движения частей поверхности заготовки, находящихся вне очага деформации описываются параметрами: У°(">' &0(1); Р0О); 50П), представляющим собой осевую, окружную составляющие скорости, угловую скорость вращения, угол подъема и шаг винтовых траекторий, соответственно. Индекс «0» соответствует недеформируемой части заготовки радиуса г0 , «1» - части раската радиуса г, после обжатия с коэффициентом вытяжки /л = ( г о/г, )2. В очаге деформации заготовка скручивается вокруг продольной оси, так что прямолинейная риска-свидетель, нанесенная вдоль образующей заготовки перед прокаткой, трансформируется в винтовую линию скручивания с углом отклонения от продольной образующей поверхности раската у и шагом линии скручивания Бг На основании совместного рассмотрения совпадающих в стационарном процессе поверхностных винтовых траекторий и линий тока, получено выражение закона постоянства секундных объемов в перечисленных терминах с уче-

том деформации скручивания:

v' v; i . tgp, _

__ ?

у О ' у О

'г Л»

1 -

\ Sr J

Is/K к ' I j

Анализ конечного изменения модуля полной скорости поверхностных слоев заготовки, например по относительному изменению (VI-V!)/

д, =v " /о, с помощью соотношении (1) позволил выявить ряд

особенностей рассматриваемого процесса, существенных для разрабатываемых технологий. В, частности, кинематический результат прокатки оцениваемый параметром Ау, зависит не только от изменения внешних габаритных размеров заготовки (коэффициента вытяжки), как это имеет место при продольной прокатке, но и от внутренней геометрии винтовых траекторий движения металла, т.е. от Д- фактора. Причем влияние последнего имеет явно выраженный, качественно определяющий характер. При малых углах /?и углах реального технологического диапазона преобладает уменьшение окружной скорости оращдтельной составляющей движения заготовки и прокатка в целом идет с А„<0, т.е. с торможением поверхностных слоев. В этой сзязи кинематическое согласование, деформируемого металла и валков по модулям полных скоростей достйки-мо только при чашевидной схеме прокатки. Положительное скручивание содействует этому согласованию. Ограничению скольжения способствует применение рабочих валков с минимальной конусностью по длине рабочих участков.

Исследование неравномерности пластического течения металла в объеме очага деформации выполнено с помощью кинематической модели, основу которой составляет трехмерное разрывное поле скоростей, построенное с использованием экстремальных принципов теории идеальной пластичности и с привлечением экспериментальной информации о фактической геометрии внешнего контура, описываемого уравнением р = г (<р , х ) . Поле скоростей у [V Р .V v •V ,}• > тождественно

удовлетворяющее условию несжимаемости и гипотезе плоских сечений, представляется в цилиндрической системе координат соотношениями у - 1.дФ(р,у,х} 1 о dft(x) К " р дер 2 * dx Р'

д Ф (р ,<р , * )

V , = -^ (2)

V х = V ° •/(*).

где: /л )- коэффициент вытяжки в сечении л:;

Ф (р.,(р ,х)- функция, обеспечивающая выполнение кинематических граничных условий. Граничные условия зключают: отсутствие нормальной составляющей вектора скорости на внешнем контуре области течения; совпадение оси заготовки с линией тока; параметры жесткого винтового движения вне геометрического очага деформации; контактное взаимодействие металла с валками, описываемое законом трения Зибеля.

Для уточнения описания особенностей кинематики дополнительно предполагается наличие в объёме очага деформации области, внутри которой поперечные сечения осевых трубок тока имеют форму концентрических окружностей. Внешняя граница этой области описывается уравнением р = г;(х).

В этой внутренней зоне при 0< р <ъ(х) произвольного поперечного сечения дс функция Ф (р ,<р , х ) имеет вид:

2 2-г(<р0,х)-г,{х)

(За)

а во внешней области при г^(х) ¿р< г (<р^с):

Ф(р,<р,х) =

р- P-ri{x)} о><,г2(<Ро>х)-[г{(р0,х)~ г,(д:)]

г(<р,х)- г(<р,х)~ /-,(*)] 2-г(<р0,х)-г,(х)

-L.y 2 1

М*)

' -ск

<Н<Р,х), &

(36)

Здесь индексом «О» отмечено состояние отсчета в сечении х Полученные соотношения для искомого поля скоростей содержат взаимосвязанные функции р=г(<р,х) и р=г,(х). Первую функцию предложено определять путём аппроксимации внешней границы степенным многочленом по <р с коэффициентами, изменяющимися вдоль оси дс согласно экспериментальным данным. Для определения второй функции принято приближение связи её с параметрами внешнего контура очага деформации в виде:

г,(х)= ехр

-1 *.*'(*)

rt(x),

где: е(х) — частное обжатие в сечении*, отнесённое к кратчайшему расстоянию от поверхности валков до оси прокатки в этом же сечении Г/.х).

С помощью формул Коши по заданному полю скоростей вычисляв ются компоненты тензора скоростей деформации ^ и соответствующие им интенсивность скорости деформации сдвига Н и степень деформации

г

сдвига Л = \fidt . Значения Ьк, соответствующие действительному

о

полю скоростей, находятся из принципа минимума полной мощности пластического формоизменения для разрывных течений идеально пластической среды.

Неравномерность деформации в рассматриваемой кинематической модели схематизируется наличием двух зон с различным характером течения металла и разрывом тангенциальной составляющей вектора скорости на границе раздела выделенных зон.

Непосредственными расчетами показано, в частности, что неравномерность распределения Н и И, по сечению очага деформации, оцениваемая, например, коэффициентами:

К„ = (Нта, - Ят1п) / Ят1п, Кл = (Лт„ - ЛЮ1В)/ Лт|п,

достигает минимального значения в случае, когда внешняя зона интенсивных деформаций развивается на всю глубину поперечного сзчения. Такое состояние реализуется при частных обжатиях е, в пределах 13...25%, и технологически обеспечивается совместным повышением угла подъема траектории р до 18...24°, угла наклона образующей валков к оси прокатки а до 10... 15°, при отношении диаметра валков к диаметру заготовки не менее двух.

Данная кинематическая модель указывает на характер и местоположение возможного разрушения металла. Макроразрушение наиболее вероятно в местах близкого, сохраняющегося на протяжении нескольких циклов деформации, совпадения траектории движения частиц металла с поверхностью разрыва тангенциальной составляющей вектора скорости. Такое совпадение может иметь место на калибрующем участке, где происходит раскатка металла с малыми приблизительно равными частными обжатиями. Очевидно, одной из мер снижения опасности разрушения является уменьшение числа циклов деформации на калибрующем уч'астко до минимально необходимого.

Процесс поциклового развития формоизменения и накопления радиального обжатия с учетом тангенциальной раскатки описывается по характерным точкам и текущим радиусам внешнего контура очага деформации: радиусам начала г0(О. конца цикла г,'( /) и кратчайшего расстояния от оси прокатки до поверхности валков г, (I). В произвольном, ¡■ом цикле между этими радиусами установлено соотношение:

г;о)=г0о)'-а-'г1ог, (4)

где а - коэффициент тангенциальной раскатки 0 <1, определяемый экспериментально с применением обратной зависимости

a_lnr0(i)-ln г] (i), ,lnr0(i)-ln г, (i); Выражение (4) генерирует описание всей последовательности радиусов r,'( I) & r0(I -1) на стыке циклов деформации в виде:

Радиусы г, (¡) по кратчайшим расстояниям, находятся в соответствие с законом постоянства объема:

1-

i

~Ñ

где N общее число циклов деформации на обжимном участке очага деформации с углом конусности а.

Для расчета N рекомендуются эквивалентные выражения:

. / . > N

N = ■

1

{■17-Ч):

N =

1

2•л•tga■tgpl V' ')• / 2^л•tga \tgpg

Приведенные соотношения позволяют далее определить необходимые геометрические, деформационные и энергосиловые параметры процесса, как в частном выражении по циклам, так и результирующем за проход. Кроме того представляется возможность корректного усреднения деформационных параметров через логарифмическое представление. Например, среднее относительное частное обжатие с учетом тангенциальной раскатки можно представить в виде:

е' = 1-ехр[

N -а3

Из полученного выражения следует, что среднее относительное частное обжатие имеет характерный максимум в диапазоне коэффициентов вытяжки /V =3,5...4,5 при фактических для малопластичных сталей и сплавов значениях а = 0,32...0,55.

Применение соотношения (5) к траекториям движения конца следящего радиус-вектора, ориентированного на входе в валки под различными меридиональными углами и имеющими индивидуальные «истории» поциклового прохождения очага деформации, создает количественное описание макрорельефа поверхности получаемого прутка по отношению к уровню образующей калибра.

а

В расчете энергосиловых параметров проведена верхняя оценка коэффициента напряженного состояния п„ с использованием разрывно-блочного поля скоростей, моделирующего частное обжатие вращающейся заготовки. Течение металла моделируется кинематической схемой, включающей области жесткого вращательного движения в межвалковых промежутках и клиновидную, пластическую зону чистого сдвига, прилегающую к участку границы контакта металла с валком. На границе обозначенных зон имеет место разрыв касательной составляющей вектора скорости. В зависимости от отношения ширины контакта к диаметру заготовки значение ла составляет 1,10...1,35.

Анализ особенностей формирования температурных полей деформируемого металла произведен на связанном решении 2хЫ одномерных задач об осесимметричном тепловом состоянии бесконечного цилиндра. В разработанном алгоритме каждый из N циклов деформации разделяется на две последовательные фазы, соответствующие контактному обжатию радиус-вектора рабочими валками и прохождению свободного участка в зазоре между ними.

В фазе контактного обжатия радиус-вектора валком тепловое состояние металла с коэффициентом температуропроводности ат описывается дифференциальным уравнением теплопроводности:

до {д2е 1 до д7о\ „, ч

где Тц Н(р) — радиальное распределение мощности внутренних источников тепла от пластической деформации на заданном поле скоростей.

Граничные условия на этой фазе соответствуют теплообмену теплопередачей на контакте валок-заготовка с заданной начальной температурой валков и металла на границе.

В фазе прохождения межвалкового зазора тепловое состояние заготовки моделируется состоянием цилиндра без тепловыделяющих источников пластической деформации со свободным теплообменом конвекцией и излучением на открытой границе, то есть решается температурная задача с использованием уравнения теплопроводности в виде

дв, (д2в 1 дв, д20,

- ат • -г+--'-+ -!

сЧ \ др р др др

Начальное распределение может быть задано равномерным или получено в результате решения задач теплопроводности о нагреве, транспортировке и термостатировании. Начиная с первого цикла деформации, все последующие имеют связь через предшествующий результат, т.е. радиальное распределение температуры, образующееся к концу очередного цикла деформации, является исходным для решения следующей

задачи. Радиальное распределение температуры, установленное по данной схеме к концу последнего цикла деформации на выходе из очага, и является решением, принимаемым для анализа в зависимости от основных факторов процесса прокатки.

Совокупная теоретическая оценка процесса позволила определить область определения факторов, перспективную для построения технологии деформирования малопластичных сталей и сплавов (табл.1)

Таблица 1

Факторы рациональной технологии (расчетные ограничения)

Фактор Единица измерения Область определения

Схема прокатки (знак угла раскатки ) (-) (±) чашевидная или реверсивная чашевидно-грибовидная

Угол подъема поверхностных траекторий град. 18....24

Коэффициент вытяжки за проход <4,0...4,5

Угол наклона образующей валков к оси прокатки на обжимном участке град. 10.. .15

Угол конусности валков на калибрующем участке град. min (<|5|)

Длина калибрующего участка валков мм (0,6...1,5)xdk

Отношение диаметра валков к диаметру заготовки 2,0...5,5

Температура начала прокатки °С Тга\мх-(20...100) Тпрод„оок -(20...100)

Исследование особенностей винтовой прокатки малопластичных сталей и сплавов

Экспериментальные исследования выполнены на опытно-промышленных трёхвалковых станах винтовой прокатки МИСиС-ЮОТ и 130Т. В качестве рабочих материалов использованы: инструментальная быстрорежущая сталь Р6М5; легированная инструментальная сталь Х12, жаростойкая сталь 45Х14Н14В2М (ЭИ69), жаропрочные сплавы на никелевой основе ХН77ТЮР (ЭИ437Б), ХН56ВМКЮ (ЭП109), ХН55ВМТФКЮ (ЭИ929), ХН51ВМТЮКФР (ЭП220) и другие металлы и сплавы. Прокасгке

подвергали заготовки диаметром 75...128 мм с литой и предварительно деформированной структурой, с фактическим состоянием поверхности после предшествующей операции. Литые заготовки диаметром 125...128 мм получены на машинах полунепрерывного литья заготовок (МПНЛЗ). Златоустовского металлургического завода и электрометаллургического завода "Электросталь".

При разработке технологии деформирования малопластичных сталей и сплавов важное место занимает определение предельных по разрушению металла условий прокатки.

Согласно литературным данным, выводам теоретического анализа и результатам предварительных экспериментов наиболее вероятным видом разрушения малопластичных сталей и сплавов при винтовой прокатке в трёхвалковом стане является кольцевое расслоение по линии разрыва тангенциальной составляющей вектора скорости.

Изучение влияния основных технологических факторов процесса на деформируемость заготовок проведено на примере стали Р6М5. Склонность металла к кольцевому разрушению количественно характеризовали оценкой состояния макроструктуры металла после прокатки по специально разработанной ранговой шкале. Шкала составлена на основе экспериментальных данных и включает в себя ряд фотоэталонеа поперечных макрошлифов, последовательно отражающих стадии развития кольцевого разрушения: от его отсутствия до полного отделения кольцевой «рубашки». Каждой позиции этого ряда поставлена в соответствие численная оценка (ранг) у =0; 0,2; 0,4; 0,8; 1,0. Значению у = 1 соответствует состояние с отсутствием признаков кольцевого разрушения в макроструктуре проката, у = 0 оценивает максимально развитое макроразрушение с полным отрывом кольцевого слоя. Началу кольцевого разрушения соответствует значение ранга 0,4< ^ <0,8..

Зависимость ранжированной оценки макроструктуры у от режимов прокатки принята в качестве исследуемой функции отклика. Изучено поведение функции отклика при изменении логарифмического коэффициента вытяжки {1п /;), условной скорости вращения заготовки (щ), угла подачи валков (Р) и температуры начала прокатки (<°С).

Под условной скоростью вращения заготовки понимается величина, характеризующая скоростные условия процесса независимо от других варьируемых факторов, однозначно воспроизводимая в эксперименте и численно равная произведению угловой скорости вращения валков на передаточное отношение кинематической пары "валок-заготовка" в пережиме калибра. Эксперименты выполнены в условиях варьирования на двух уровнях: 1п ц = 0,90; 0,45; ц, = 400; 200 мин"1 и на трех: р- 12; 16; 20°; Г = 980; 1050; 1140°С. Коэффициент вытяжки варьировали з,ч счёт изменения исходного диаметра заготовки, а условную скорость вращения заготовки - изменением скорости вращения валков. При этом калибровку

валков и конечный диаметр прутков сохраняли неизменными. За базовую калибровку рабочих валков принята коническая с калибрующим участком и углом наклона образующей к оси прокатки 10°. Она была разработана и проверена в ходе предварительных экспериментов. В этой калибровке рационально сочетается необходимый уровень частных обжатий со стабильным захватом заготовок и ходом .процесса.

В результате проведения опытов по плану главных эффектов и обработки экспериментальной информации получено адекватное уравнение регрессии

у = 0,932 - 0,093 ■ хм - 0,080 • хш + 0,220 ■ хр - 0,146 ■ х, - 0,279 ■ х), (6)

коэффициенты которого дают независимую оценку влияния факторов на функцию отклика.

В уравнение (6) значения факторов входят в кодовом масштабе. Связь натурального и кодового масштабов выражается линейными преобразованиями:

дгц=6,67х/и ц - 5; лсш= 0,015x0}, - 5; хр = 0,25ху9- 4; .<•, = 0,125х* -13,25;

Установлено, что в исследуемой области факторного пространства все зафиксированные состояния макроструктуры и разрушения металла полностью укладываются в предложенную шкалу ранговой оценки.

Так как началу разрушения металла соответствует значение функции отклика 0,4< у <0,8, то гиперповерхности уровня у = 0,4 и у = 0,8 по уравнению (6) можно рассматривать, соответственно, как двухстороннюю оценку предельных условий деформации. Практически более значимо «нижнее» приближение, поскольку оно одновременно является условием деформации без макроразрушения. Уравнение гиперповерхности у = 0,8, разрешенное относительно логарифмического коэффициента вытяжки, непосредственно определяет нижнюю оценку деформируемости заготовок из стали Р6М5 в процессе стационарной винтовой прокатки:

Хпред>Х по = 1,42-0,86-Х + 2,36 -X а-1,57 -X. - 3,00 - X?. ц у = 0,8 со р Г /

Интерпретация полученного соотношения показывает, что существенное нелинейное влияние на деформируемость заготовок из стали Р6М5 оказывает температура начала прокатки. Обращает на себя внимание экстремальный характер температурной зависимости предельного коэффици )та вытяжки с максимумом при температуре начала прокатки на 80...100°С ниже температуры максимума пластических свойств стали Р6М5, определенной пластометрическими испытаниями. Это указывает на интенсивный деформационный разогрев и его заметное влияние на условия деформации металла. При температуре I = 1140°С наиболее близкой к температуре максимальной пластичности и началу её падения наблюдается минимальный уровень деформируемости заготовок.

Зависимость предельного коэффициента вытяжки от условной скорости вращения заготовки определяется высокой склонностью материалов с пониженной теплопроводностью (типа стали Р6М5) к локализации и усилению деформационного разогрева в зоне максимальных скоростей и степеней деформации. При переходе хю с верхнего уровня интервала варьирования на нижний, что соответствует уменьшению частоты вращения рабочих валков с 80 до 40 мин "1, нижняя оценка прокатываемое™ возрастает в 1,32...2,35 раза. Очевидно уменьшение скорости вращения заготовки способствует ослаблению неравномерности поля температур, снижению локальных максимумов вблизи области кольцевого разрушения за счет более полного завершения процессов теплопередачи.

В наибольшей степени деформируемость заготовок из стали Р6М5 в процессе винтовой прокатки связана с углом поДачи. Повышение нижней оценки предельного коэффициента вытяжки при переходе величины угла подачи валков с нижнего р =12° на верхний уровень р =20° составляет около 2. Положительное влияние больших углов подачи на прокатывае-мость заготовок отражает существенное повышение равномерности распределения деформационно-скоростных и температурных условий в очаге деформации. Этому спосоСствует рост частных обжатий и сокращение числа циклов деформации. Анализ параметров формоизменения показал, в частности, что увеличение угла подачи с 12 до 20° при прокатке прутка диаметром 50 мм из заготовки диаметром 80 мм приводит к росту среднего частного обжатия с 4,7 до 9,2%, максимального частного обжатия с 7,9 до 15,6%, сокращению числа циклов деформации п 1,67 раза. 0 снижении неравномерности деформации косвенно свидетельствует также уменьшение глубины осевой утяжки торца заготовки на 13%.

Общий характер установленных закономерностей влияния технологических факторов процесса на условия деформации металла отмечен при изучении особенностей винтовой прокатки других малопластичных и труднодеформируемых сталей-и сплавов: Х12, Х12М, 45Х14Н14В2М, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН55ВМТФКЮ, ХН51ВМТЮКФР, ЭК-31, Р6М5К5-мп и др. Индивидуальные особенности конкретного материала Проявляются, в основном, в выборе температурного интервала прокатки и уровне деформируемости. Прямыми экспериментами впервые показана возможность бездефектной деформации заготовок в процессе винтооей прокатки по режимам, представленным в табл. 2

Указанные режимы реализованы на одном комплекте салкоз с общей (универсальной)'для всех исследуемых марок сталей и сплавов и для всех проходов калибровкой. Для винтовой прокатки в несколько проходов рабочие калибры последовательно образуются путём сведения валков на заданную величину.

Следует отметить что достигнутый уровень разовой деформации за проход лимитировался мощностью главного привода стана МИСиС -

ЮОТ (№ = 2 х 160 кВт) и не является предельным по условиям пластичности материала. Однако и в этом случае максимальные коэффициенты вытяжки за проход в 1,2...2,8 раза больше, а количество проходов при заданном суммарном обжатии в 2...5 раз ме.ньше по сравнению с технологией продольной прокатки.

Таблица 2

Режимы винтовой прокатки малопластичных сталей и сплавов

Темпе Угол Кол-

ра- подачи Диаметр во Коэфф.

Марка стали тура проката, прохо- вытяжки

или сплава прока- мм - дов за проход

тки,

°С град. исходи. конечн. среди мак с.

ХН51ВМТЮКФР 1120 20 118 55 6 1,29 2,01

ХН51ВМТЮКФР 1120 20 107 55 4 1,39 2,01

ХН55ВМТФКЮ 1120 20 125 55 6 1,31 2,01

ХН56ВМКЮ 1140 20 118 55 6 1,29 2,01

ХН77ТЮР 1080 22 125 55 5 1,39 2,40

45Х14Н14В2М 1060 22 125 55 3 1,72 3,05

Р6М5 1050 22 125 55 3 1,72 3,05

Р6М5 1050 22 110 55 2 2,00 3,05

Х12 1020 22 125 55 2 2,27 4,10

Процесс винтовой прокатки всех исследованных марок сталей и сплавов на конических калибровках валков с углом наклона образующей к оси прокатки 10...15° характеризуется высокой стабильностью в период захвата заготовок и в установившейся стадии при широком диапазоне изменения углов подачи (12 ... 24°) и коэффициентов вытяжек за проход (1,1 ... 4,5). Повышение а до 20 ... 25° ухудшает условия захвата, нарушает стабильность вращения и осевого движения деформируемой заготовки.

Отмечена чрезвычайная устойчивость процесса и качества проката к несимметричности настройки калибра ( расположения валков вокруг оси прокатки) и к отклонениям диаметра исходной заготовки. Эти обстоятельства позволили создать и запатентовать новые способы прокатки, повышающие эффективность технологии и снижающие уровень энергосиловых параметров процесса деформирования [24,27].

Реверсивная винтовая прокатка

Для создания промышленных технологий деформирования малопластичных сталей и сплавов необходим передел в несколько (3...5 и более) проходов.

Одной из наиболее эффективных форм организации многопроходной винтовой прокатки следует считать прокатку в реверсивном режиме на одном - двух специальных реверсивных станах.

Реверсивная винтовая прокатка представляет собой новое технологическое и конструктивное решение. Первым образцом реверсивных технологии и станов винтовой прокатки является стан МИСиС-ЮОТ, модернизированный и освоенный в таком качестве в 1976 году. В настоящее время промышленные технологии реверсивной винтовой прокатки реализованы на станах, изготовления ПО "Электростальтяжмаш" и установленных на: АО "Электросталь" (обжимная клеть стана 350/250); АО «ВСМПО» (стан СРВП-130 - двух клетевой стан реверсивной винтовой прокатки -130); на АО "Ижсталь" — двух клетевой стан ОСВП-220. Совместно с ПО «Электростальтяжмаш" разработано более 5 технических проектов прокатных комплексов с применением реверсивных станов винтовой прокатки.

В работе предложен басогый способ реверсивной винтовой прокатки [23,25,49,55] и достаточно большое число его вариантов для отдельных случаев. Базовый способ реализуется посредством специальных валков, имеющих в центральной части калибрующий участок, работающий во всех проходах, прямых и обратных, и два обжимных участка, расположенных по разные стороны от калибрующего и работающих поочередно - через проход, в паре с одним и тем же калибрующим участком. Собственно реверсивная прокатка обеспечивается последовательным сведением валков на заданный калибр и изменением направления их вращения.

По сравнению с традиционной продольной прокаткой реверсивная винтовая характеризуется рядом новых технологических и конструктивно-организационных обстоятельств. Положение оси раската во всех проходах изменяется незначительно (только по высоте). В специальных решениях не изменяется вообще. Отпадает необходимость во вспомогательных поперечных перемещениях Проката из калибра в калибр в паузах между проходами. Во всех проходах максимально задействовано рабочее полотно бочки валков (не менее -2/3 длины). Износ валков компенсируется настройкой. Деформация металла происходит с чередованием направления вращения заготовки,' что благоприятно сказывается на трансформации исходных поверхностных дефектов, а также рядом других особенностей.

В базовом варианте заготовка деформируется в прямых (нечетных) проходах по чашевидной схеме со сближением осей валков по ходу про-

катки, в обратных по грибовидной с расхождением осей валков. Данное обстоятельство расширяет классификацию станов и валков по знаку угла раскатки, внося новый элемент. Название валков (чашевидные, грибовидные) в реверсивном стане зависит от направления прокатки и чередуется через проход. Поэтому для реверсивного случая следует указывать «реверсивный стан с чашевидно-грибовидными валками». Тоже самое относится и к реверсивным схемам винтовой прокатки.

Чередование чашевидной и грибовидной схем прокатки доступно и естественно реализует один из общих металлофизических принципов улучшения деформируемости заготовок путем направленного изменения макрозонального характера распределения деформации. При этом имеет место взаимодополнение и усиление положительных особенностей чередуемых схем прокатки. Для чашевидной схемы характерна более равномерная проработка структуры по сечению с преимущественной ориентацией на уплотнение осевой зоны, за счет осевого подпора в очаге' деформации. Однако осевой подпор может оказывать отрицательное действие на поведение поверхностных дефектов в результате повышенного истечения металла в зазоры между валками. Грибовидная схема формирует в очаге деформации осевое натяжение, которое ограничивает вытеснение металла в зазоры, способствует преимущественной деформации периферийных слоев, улучшению качества поверхности. Чередование схем нейтрализует отрицательные стороны каждой из них и усиливает положительные, что в целом способствует повышению качества прутков. При реверсировании направления вращения заготовки чередование схем сохраняет направление скручивания, не допуская знакопеременной деформации скручивания заготовки, опасной для малопластичных сталей и сплавов.

Сделано заключение, что реверсивная винтовая прокатка открывает новые перспективы создания эффективно управляемых процессов ОМД на основе таких методологических положений как:

- управление макрозональностью проработки структуры металла и рассредоточение зон, потенциально опасных накоплением микроповреждений, посредством различных (но соразмерных) калибровок обжимных участков для работы в прямых и обратных проходах, различных коэффициентов вытяжки в чашевидных и грибовидных проходах, различных скоростях вращения заготовки [31,32,57];

- создание процессов с управляемыми температурными полями, в том числе изотермических и даже экзотермических процессов, за счет направленного воздействия на температурный эффект деформационного разогрева по разработанным методикам путем согласованного выбора коэффициентов вытяжки, скоростей прокатки и пауз менаду проходами [24,33]; .

- создание несимметричных процессов реверсивной винтовой прокатки с упрощенной настройкой калибра перемещением одного

(верхнего) валка для рационализации условий работы исполнительных механизмов прокатного стана и улучшения прорабоТки центральной зоны [27];

- создание режимов прокатки и калибровок валков до минимума сокращающих уровень энергосиловых параметров по переделу в целом, за счет функционального разделения всех проходов по принципу: обжимные, предчистовые и чистовой (последний) [53].

Кроме того в реверсивных способах реализуются возможности, направленные на получение ультрамелкозернистой структуры в периферийном слое, повышение стойкости рабочего инструмента и самовосстановление рабочего профиля за счет регулируемого дрейфа сечения встречи заготовки с валками в различных проходах. [26,52].

Многопроходные схемы реверсивной винтовой прокатки отражается на конструкции клети, функциях, конструкции входной и выходной сторон, на параметрах исполнительных механизмов, типе главного привода. Реверсивные станы отличаются относительно небольшой массой и потребностью в производственных площадях при значительной технологической гибкости и регулируемом объеме выпускаемой продукции.

Качество проката из малопластичных сталей и сплавоэ

Качество прутков, деформированных винтовой прокаткой, оценивали по состоянию поверхности, точности геометрических размеров, макро-и микроструктуре, физико-механическим свойствам. Для стали Р6М5 также получена оценка непосредственных служебных свойств.

Предупреждение образования и развития поверхностных дефектов при деформировании малопластичных сталей с низкой теплопроводностью и узким температурным интервалом обработки представляет сложную технологическую задачу, удовлетворительное решение которой в. условиях массового производства на базе традиционных процессов ОМД весьма затруднительно. Поэтому данный вопрос требует особого внимания при исследовании новых схем деформирования.

Анализ поведения естественных и искусственных дефектов показал следующее. При винтовой прокатке, во всём исследованном диапазоне изменения основных технологических факторов на поверхности заготовок не образуется дефектов деформационного происхождения, даже при' прокатке непрерывнолитых заготовок из жаропрочных сплавов на никелевой основе (ХН55ВМТФКЮ и др.) с незачищенной поверхностью. Характер трансформации исходных дефектов сущесгвенно зависит от условий ведения процесса. Увеличение угла подачи и суммарного коэффициента вытяжки способствует уменьшению глубины залегания Нд поверхностных дефектов. Например, при прокатке заготовок из стали Р6М5 с искусственными продольными дефектами с ц = 3,3 на углах подачи

12... 14° величина остаётся практически на исходном уровне, а при р - 22...24° уменьшается в 1,8... 3,1 раза, в зависимости от глубины исходного дефекта. Изменение угла наклона образующей валка к оси прокатки в пределах 10... 15° не оказывает существенного влияния на Ьд. Поперечные дефекты более склонны к трансформации на минимальную глубину от поверхности. Так, прокатка на углах подачи 18...20° заготовок из сплавов ХН51ВМТФКЮР и ХН56ВМКЮ с густой сеткой неудалённых поперечных разрывов прокатного происхождения глубиной 3...6 мм для первого сплава, и 1,5...4,0 мм для второго сопровождается уменьшением глубины залегания дефектов, которая при // = 4,6 составляет соответственно 1,0...1,8 мм и 0,4...1,0 мм, т.е. уменьшается в 3,0...3,7 раза.

Таким образом при прокатке в области больших углов подачи реализуются благоприятные условия деформации периферийной зоны заготовки, которые не только исключают образование новых, но и уменьшают развитие исходных поверхностных дефектов. Вместе со снижением неравномерности деформации и ограничением радиальной деформации растяжения в зазоре между валками к этим условиям относится отсутствие характерного подстуживания поверхностного слоя, благодаря малой протяженности поверхности контакта в направлении траектории движения частиц металла и компенсирующему действию деформационного разогрева.

Установлено, что наряду с высоким качеством поверхности схема деформирования при винтовой прокатке позволяет устойчиво получать прутки с овальностью поперечного сечения менее 0,5% от номинального диаметра и кривизной не более 0,75 мм на погонный метр. Эти показатели составляют менее половины поля допусков для проката высокой точности по ГОСТ - 2590 - 71.

Полученные результаты обеспечивают возможность повышения коэффициента выхода годного и эффективности передела в целом за счёт сокращения объёма или устранения ремонта промежуточных заготовок и готовых прутков.

Важное значение для исследуемых материалов имеет состояние структуры металла после деформации. Установлено, что в макро- и микроструктуре металла, прокатанного по новой технологии, отсутствуют .какие-либо нарушения сплошности деформационного происхождения. Специфический характер развития формоизменения металла, сопровождаемый интенсивными сдвиговыми деформациями на фоне общего уплотнения, благоприятно сказывается практически на всех уровнях металлофизического строения. В высоколегированных сталях Р6М6, Х12, 45Х14Н14В2М, белых чугунах и др. зафиксирована высокая дисперсность и равномерность обособленных частиц карбидной фазы, практически при отсутствии сетчатых и строчечных формирований. Такое строение карбидов резко отличается от характерной карбидной полосчатости, полу-

чаемой при прокатке в калибрах, ковке и приближается к строению карбидов в сталях порошкового исполнения. В процессе стационарной винтовой прокатки и последующей стандартной термообработки жаропрочных никелевых сплавов формируется плотная равномерная макроструктура с практически полным отсутствием разнозернистости по сечению и длине прутков.

О преимуществах структурного строения металла, получаемого по разработанной технологии, свидетельствуют данные подробного исследования его физико-механических и служебных свойств. Так, механические свойства прутков из сплава ХН55ВМТФЮО и стали 45Х14Н14В2М, полученных из полунепрерывнолитых заготовок с суммарным коэффициентом вытяжки 5,16, полностью соответствуют требованиям действующей нормативно-технической документации и по ряду показателей превышают среднестатистические свойства серийного металла, полученного из слитков ОДП и ВДП. Общей отличительной особенностью является высокий уровень пластических свойств, в 1,5 и более раз превышающий свойства металла, деформированного методами продольной прокатки. Для жаропрочных сплавоа на N1 - основе характерна тенденция к повышению на 20...25% длительной жаропрочности.

Благодаря росту пластических характеристик малопластичного металла улучшается его техноло; ичность на дальнейших переделах. Становится доступной и облегчается деформация методами продольной прокатки в калибрах, холодная гидроэкструзия, волочение и др. При этом дополнительно отмечается совершенно определенный синергетический эффект комбинированных технологий в дальнейшем повышении уровня свойств. В частности ударная вязкость полунепрерывнолитой стали Р6М5, деформированной по схеме «стационарная винтовая + продольная прокатка» с общим коэффициентом вытяжки 15,2 в 1,8...2,0 раза выше ударной вязкости слитковой стали, полученной в производственных-условиях сочетанием ковки и продольной прокатки с коэффициентом вытяжки более 140.

Преимущества быстрорежущей стали, деформированной методом стационарной винтовой прокатки, подтверждены результатами широкого промышленного опробования режущего инструмента в условиях поточного машиностроительного производства ряда предприятий. Прямой сопоставительный анализ, проведенный на различных видах режущего инструмента (фрезах, развертках, зенкерах,- сверлах, метчиках и др.) выявил повышение стойкости инструмента из стали винтовой прокатки в 1,8...2,5 раза, а в ряде случаев до 4,8...5,0 раз. Данное обстоятельство свидетельствует о том, что служебные свойства «обычной» слитковой стали могут быть подняты до уровня и зышё свойств металла порошкового исполнения, предлагаемыми методами пластической деформации, существенно более дешевыми и доступными [15].

Стационарная винтовая прокатка в специальных задачах пластического деформирования

Представленная технология выходит за рамки собственно сортопрокатного передела и металлургического производства, активно содействуя решению задач металлообработки таких как:

1. Изыскание схем, способов и режимов пластической обработки (в горячем и холодном состоянии) новых металлических материалов с выходом на заданный уровень свойств под конкретные изделия и условия рабочего функционирования.

2. Прокатка металлов, промышленно недеформируемых или ограниченно деформируемых другими способами ОМД, с последующим расширением их практического применения ( например, замена ковки на средних и мелких молотах прокаткой).

3. Получение прутковых полуфабрикатов инструментов из порошковой быстрорежущей стали в моно- и биметаллическом исполнении с ограничением анизотропии свойств и контролируемой геометрией послойных составляющих.

4. Подготовка структуры различных металлов к деформированию в состоянии сверхпластичности, а также другие конкретные задачи.

К практически решенным задачам первой группы относится получение длинномерных сплошных прутков диаметром до 30 мм из нового высокоплотного сплава ЭК31 (с плотностью р=9,6-103 кг/м3 за счет высокого легирования вольфрамом 10 % по массе).

Основное требование к конечному метаплопродукту - сочетание высокого уровня прочностных свойств ст„>1700 МПа при повышенной (в пределе максимальной) пластичности 6>20 % и ударной вязкости не менее 5,0 кДж/м2.

По своим металлофизическим и технологическим свойствам данный материал представляет собой никелевый, малопластичный сплав с ин-терметаллидным упрочнением. Содержание упрочняющей у' [N¡3(Ti,AI)] фазы составляет в среднем 10...12 %.Технологическая деформируемость сплава по классификации М.Я. Дзугутова оценивается, как низшая среди практически обрабатываемых металлических материалов (5 группа). Температурный интервал горячей обработки составляет 1050...1160 °С. Сопротивление деформации в этом интервале составляет 95...150 МПа;

Технологическая схема получения готового изделия, включает четыре основных этапа:

1. Получение слитка вакуумно-дугового переплава диаметром 160 мм.

2. Горячее прессование слитка на прессе усилием 63 мН.

3. Горячая деформация методом стационарной винтовой прокатки.

4. Холодное гидроэкструдирование на окончательный размер.

На этапе №3, ориентируясь на имеющееся промышленное оборудование, предпринимались попытки применить ковку и продольную прокатку. Они оказались безуспешными по причине разрушения прессованных заготовок.

Поставленная задача решена, заданный комплекс характеристик достигнут полном объеме способом [56], включающим горячее прессование слитка ВДП с коэффициентом вытяжки ц>4, стационарную винтовую прокатку с ц>2 и холодную гидроэкструзию со степенью деформации до 45 %. При отработке сквозной технологической схемы горячая винтовая прокатка выполнялась на стане МИСиС-130Т по разработанной технологии.

В промышленный вариант отработанная по режимам деформации технология переведена практически стереотипно. Изготовленные изделия успешно прошли все необходимые испытания.

Винтовая прокатка в данном производстве является ключевым, а возможно и безальтернативным процессом, обусловливающим промышленную реализуемость разработанной схемы в целом. Особое структурное состояние сплава с мелкодисперсной изотропной /-фазой после винтовой прокатки, создает в горячедеформированном металле повышенный ресурс пластичности, делающий возможным последующую холодную гидроэкструзию с требуемыми обжатиями до 45 %. Синергетический эффект всех операций пластического деформирования гарантированно обеспечивает выход на заданный комплекс свойств в готовом металлоизделии.

В опытно-промышленных условиях станов МИСиС-ЮОТ и 130Т на примере железо-углеродистых сплавов практически решен ряд задач второй группы. Показана возможность устойчиво и бездефектно деформировать перспективные металлические материалы, не получающие достаточного применения из-за невозможности пластической обработки обычными способами.

В частности, это касается белых чугунов, содержащих 2,5...3,0% углерода, и по износостойкости способных заменить существенно более дорогие легированные стали (вплоть до сталей типа XI2М). Однако в литом состоянии грубая ледебуритная эвтектика крайне охрупчивает материал, делая его практически не обрабатываемым и не применимым в реальных изделиях.

Деформирование чугунных слитков диаметром 80 мм, при температуре 960... 1050 °С на прутки диаметром 35 и 55 мм с суммарным коэффициентом вытяжки 5,85 и 2,10 соответственно, на стане МИСиС-ЮОТ не вызывает каких-либо затруднений. Процесс идет устойчиво без макро-

разрушений во всем объеме проката [9]. В результате интенсивной сдвиговой деформации грубая ледебуритная сетка раздробляется до практически изотропной мелкодисперсной перлитной матрицы с обособленными включениями карбидов округлой формы. Временное сопротивление изгибу повышается с 19,30 МПа в литом состоянии до 25,30...28,30 МПа в горячекатаном. Чугуны приобретают способность обрабатываться резанием на уровне стали, с образованием сливной стружки.

В третьей задаче сочетание горячей экструзии и последующей стационарной винтовой прокатки составляет основу промышленного способа производства быстрорежущей стали в моно- и биметаллическом вариантах [8,46]. В этом способе целевое назначение винтовой прбкатки состоит в рассеивании строчечных формирований карбидной фазы, образующейся в результате экструзии. В биметаллическом варианте получения прутков с наружным слоем из порошковой быстрорежущей стали и внутренним сердечником из компактной стали типа 60ХФА, 5ХВ2С винтовая прокатка применяется с целью пластического осаждения порошкового "быстрореза" на компактный сердечник с глубоким диффузионным проникновением компонентов при практически идеальной концентричности слоев биметалла.

Производственные исследования служебных характеристик сталей Р6М5ФЗ-МП, Р6М5К5-МП показали, что новый способ (экструдирование+винтовая прокатка) увеличивает стойкость инструмента не менее, чем в 1,4...1,5 раза по сравнению с чистой экструзией. Одновременно более, чем на 40 % снижается анизотропия режущих свойств, измеряемая разностью максимальной и минимальной стойкости режущей пластины в зависимости от ориентации режущей кромки относительно оси прутка.

В рамках четвертой группы задач целенаправленно эксплуатируется глубокая проработка структуры металла по всем уровням металлофизи-ческого строения, как неотъемлемый атрибут схемы деформирования при винтовой прокатке. Это качество процесса делает винтовую прокатку одним из наиболее перспективных по доступности реализации, способов подготовки металла к последующей обработке в состоянии сверхпластичности.

Прокатка в условиях станов МИСиС-ЮОТ, 130Т убедительно подтверждает, что желаемая микродуплексная структура устойчиво образуется в никелевых суперсплавах типа ЖС6УД с объемным содержанием /-фазы до 60 % [11,47], железо-углеродистых сплавах (чугунах) и в других материалах. Причем после винтовой прокатки показатели сверхпластичности повышаются на 50...60 % относительно других технологий.

Во многих вариантах (в частности со сплавом ЖС6УД) винтовая прокатка оказывается единственным способом, обеспечивающим удовлетворительную деформируемость подобных материалов.

Особенно важно отметить, что при решении всех перечисленных задач процесс винтовой прокатки, как способ деформирования, применяется в своем рациональном виде без существенных поправок на свойства материала. Технологические рекомендации по конкретному материалу сводятся, в основном, к определению рациональной температуры нагрева с учетом отмеченных выше особенностей температурного режима, допустимых обжатий за проход и частоты вращения валков.

Технология и министаны винтовой прокатки для производства прутков мелких и средних сечений

Рабочие клети станов стационарной винтовой прокатки МИСиС-100Т, МИСиС-130Т, посредством которых реализуется разработанная технология деформирования заготовок и прутков из различных металлов и сплавов, равно как и их промышленные аналоги (обжимная клеть стана 350/250 АО «Электросталь», стан СРВП-130 на АО «ВСМПО») в значительной мере используют положительные конструктивно-компоновочные решения трехвалковых раскатных клетей барабанного типа, ориентированных на трубный прокат диаметром более 50...60 мм.

Стремление продолжить линию подобных конструкций на область мелких сечений проката (диаметром до 10 мм.> путем масштабирования не дает приемлемого результата для промышленного использования. Состав, компоновка, функциональное назначение основных узлов применяемых клетей оказываются неадекватными крайне ограниченному пространству конструирования вокруг прутка малого сечения. В этом несоответствии присутствует вполне определенная подчиненность (вторичность) технологии деформирования конструктивному решению-прокатных клетей. Новое технологическое содержание по существу вписывается в традиционные конструкции прокатных клетей.

Одним из эффективных путей реализации принципа стационарной винтовой прокатки в пространстве малых сечений прутков (менее 050...60) представляется создание единой технико-технологической системы «деформирование металла - конструкция стана». Основу такой системы составляет набор инвариантных параметров, каждый из которых в одинаковой степени является и технологическим и конструктивным. Такой подход уже на этапе постановки задачи позволяет с высоким уровнем формализации, выдвинуть критерии искомого рационального решения, до минимума сокращая действие субъективного фактора при разработке конструкции станов.

Весьма важно отметить, что сама возможность такого подхода стала реальной, благодаря выполненной расчетно-методической подготовке и опытно-промышленной отработке основных технико-технологических компонентов стационарной винтовой прокатки сплошных заготовок, в том

числе и особенно, из малопластичных сталей и сплавов. Одним из главных итогов наработанного опыта следует считать, что область параметров рациональной технологии имеет вполне определенные и весьма узкие рамочные ограничения, слабо зависящие от прокатываемого малопластичного материала.

Свойства конкретной стали или сплава присутствуют в технологических режимах в виде температурного интервала обработки, допустимого коэффициента вытяжки за проход ц^оп или в количестве проходов при заданной суммарной деформации и частоте вращения валков. А рациональная конфигурация очага деформации калибровка валков и параметры внутренних траекторий практически не связаньгкак с обжатием за проход, так и количеством выполняемых проход в, т.е. имеют высокую степень инвариантности относительно свойств материала. Кроме того в рациональных режимах формоизменения отсутствуют ограничения максимальных обжатий по условиям естественного захвата и вращения заготовки, а минимальных по заполнению калибра и устойчивости раската в силу их сопутствующего выполнения. Отмеченные обстоятельства создают основу для развития принципа стационарной винтовой прокатки в новое конструктивно-технологическое качество, специально ориентированное на производство прутков мелких сечений.

Для описания состояния технико-технологической системы, называемой в дальнейшем «министаны винтовой прокатки», используется совокупность следующих параметров:

- угол раскатки <51

- эксцентриситет (тангенциальное смещение) установки валков е;

- средний угол конусности очага деформации (угол наклона образующей валков к оси прокатки) а;

- параметр конфигурации (калибровки) валков (где Лй -

перепад диаметра валков по длине бочки, Бк - базовый диаметр валков в начальном сечении, образующем заданный калибр).

Рациональная комбинация перечисленных параметров прокатной системы синтезируется по двум основным условиям:

1. Пластическое формоизменение металла идентичное в траек-торно-деформационном отношении всесторонне отработанному многолетней исследовательской и производственной практикой.

2. Адекватное ограниченному пространству конструктивное оформление технологии по п.1. с применением максимально облегченных средств, обеспечивающее жесткость рабочего калибра и точность проката диаметром сМ0(8)...50 мм в пределах глубины химически некондиционного поверхностного слоя, образующегося при горячей прокатке (±0,5%с1).

Первое условие формализуется системой соотношений:

е _ sin(18...240)( Dk

. . , + cosS d 2 • V d

a = 12,5 ±2,5°;

5<0; (7)

AD * Г ;

Для математического представления второго условия требуются дополнительные сведения о применяемых технических принципах и средствах конструирования. Анализ библиотеки технических эффектов показывает, что весьма перспективными предложениями в этой части является применение осевой настройки с самостопорением валков в заданном рабочем положении естественными силами трения посредством разориентировки направлений действия усилия металла на валки и их настроечного перемещения на угол близкий к прямому.

В этом случае система (7) дополняется еще одним соотношением, с достаточной для проектирования точностью, описывающим связь искомой схемы нагружения и настройки валков:

180

a^\S\<a +--arctg(fCK)t

TV

где fCK - коэффициент трения скольжения в конструктивной паре с

подвижным контактом, воспринимающей давление прокатки и обеспечивающей осевую настройку валков.

Многомерной компьютерной прогонкой синтезирована комбинация параметров, создающая систему «министан винтовой прокатки» в требуемом целевом качестве [34,35,36,41]:

5 = -30 ...-10°; /5/ = (4,5...20,0)e/d; е = (0,30... 0,75) х D„; AD <2s.

Примененный синтез системы и техника конструирования могут быть условно разделены на четыре относительно самостоятельных этапа:

1. выбор взаимной ориентации осей валков и заготовки в параметрах е~8 по условию создания требуемых траекторно-деформационных условий.

2. выбор рациональной ориентации опорных элементов валковых узлов с подшипниками относительно направления тангенциального смещения;

3. согласование (рассогласование) направлений усилия металла на валки и направления настроечного перемещения валков по условию их самостопорения в рабочем положении.

4. создание замкнутого силового контура, установкой опорных элементов в неразъемных стойках станины.

В сложившейся классификации станов винтовой прокатки полученная комбинация открывает самостоятельную группу трехвалковых станов с осевой настройкой двухопорных чашевидных валков, установленных без конструктивного угла подачи, с тангенциальным смещением (эксцентриситетом) за пределы контура геометрического очага деформации.

Длина проката Ь, производимого на министанах, может достигать 600 диаметров б. Такое высокое отношение Ш не характерно для традиционных технологий винтовой прокатки и требует специального решения по выходной стороне стана. На станах типа МИСиС-100Т,130Т, обжимной клети стана 350/250 в качестве устройства, удерживающего и направляющего раскат на выходе применяется полуцилиндрический или цилиндрический желоб. Рабочий контакт такого желоба с выходящим раскатом происходит по одной продольной линии, а в каждом поперечном сечении в одной точке. При вращении раската на контакте с желобом возникают силы трения качения, стремящиеся увести его от прямолинейного движения. В исходном положении раската на нижней образующей желоба отсутствуют реакции, препятствующие его поперечному смещению. Раскат накатывается на дугу полуцилиндрического желоба, расположенную со стороны против направления вращения. Чтобы избежать пластического искривления в этих условиях сечение раската должно обладать достаточным моментом сопротивления изгибу. Как показывает практический опыт требуемый момент сопротивления имеется в традиционных для винтовой прокатки сечениях 0>5О...6О. Длинномерные прутки мелких сечений не обладают достаточным запасом по моменту сопротивления изгибу и одновременно по моменту сопротивления кручению.

Исходя из изложенного, разработана универсальная проводка, которая стабильно удерживает вращающийся пруток малого диаметра на оси прокатки, не создавая дополнительного сопротивления его винтовому движению. Основной рабочий элемент проводки выполнен в виде уголкового призматического желоба на всю длину выходящего раската, образованного двумя плоскими направляющими линейками. Ось вращающегося раската удерживается в заданном положении системой трех сил: тяжести и двух реакций со стороны плоских линеек, направленных под встречным углом друг к другу. В особых случаях ( минимальный диаметр 8...10 мм и большая длина проката, материал с низким сопротивлением деформации ) центрирующее действие проводки может быть усилено простым отклонением оси симметрии уголка от вертикали

на угол 5...15° против направления вращения раската, понижением коэффициента трения на первой по ходу вращения линейке через избирательное применение материала, смазки, охлаждения и др. Вместе с высокой рабочей эффективностью к достоинствам уголковой проводки относится независимость рабочих параметров центрирования от диаметра раската (универсальность), простота изготовления и настройки, возможность открытого визуального наблюдения за ходом прокатки.

Мини - станы спроектированы и изготавливаются в трех сериях: «10-30»; «20-45» и «40-120». Основные технические параметры станов представлены в табл.3.

Таблица 3

Краткая техническая характеристика

министанов винтовой прокатки_

параметр ед-ца стан

изм. «10-30» «20-45» «40-120»

Исходная заготовка:

-диаметр -длина мм мм 15 ... 30 100... 2000 25... 50 100... 2000 80 ...120 900... 1500

Прокат: -диаметр -длина мм мм 10(8)... 25 до 6000 20 ...45 до 6000 ' 40... 80 до 6000

-предельное

отклонение по

диаметру % 1 1 1

Коэффициент вытяжки за проход 1,1 ... 5,0 1,1 ...4,5 1,1 ... 4,5

Производительность т/ч 0,1 ... 0,3 0,4 ... 2,0 3,0... 12,0

Мощность главных

приводов кВт 3x5 3x15 3x75

Масса министана т 1,3 2,8 18,0

Производственные площади м2 до 30 до 40 до 100

Образец опытно-промышленного министана «10-30» изготовлен в экспериментальном производстве МИСиС (1990 год). Собственно возможность изготовления высокотехнологичного прокатного оборудования в условиях неспециализированного механосборочного производства создана изначальной целевой установкой на синтез конструкции из деталей простейших геометрических форм, с максимально широким применением стандартных узлов общего назначения, например мотор-редукторов в качестве главного привода валков. А также отсутствием в монтаже фунда-ментно-подготовительного цикла.

Стан «10-30» МИСиС составляет основу прокатного модуля, включающего:

- нагревательную электропечь сопротивления камерного типа с силитовыми нагревателями мощностью 40 кВт;

- собственно министан «10-30» со специальными входным и выходным устройствами;

- устройства абразивной резки заготовок и прутков на заданные длины;

- участки складирования заготовок и прутков.

Общая площадь модуля 30 м2. Суммарная потребляемая модулем мощность не более 80 кВт. Число единиц производственного персонала -2(1).

В ходе исследования технологии прокатки на министане деформации подвергали заготовки из углеродистых, конструкционных, инструментальных, коррозионностойких, жаростойких, быстрорежущих сталей, жаропрочных сплавов, сплавов на никелевой основе, титана, меди и их сплавов. Результаты прокаток в объеме опытных партий подтвердили состоятельность предложенной конструкторско-технологической концепции реализации принципа винтовой прокатки, ориентированной на мелкие и средние сечения прутков.

Непосредственным исследовательским и производственным опытом доказано, что жесткость калибра, создаваемая оптимальной пространственной конфигурацией клети, гарантировано обеспечивает допуски на диаметральные размеры, в пределах ±0,05 мм, что в относительном выражении для сортамента стана «10-30» составляет менее 1% от прокатываемого диаметра, устанавливаемого бесступенчато. Узкие допуски на оазмер стабильно поддерживаются и в случае непреднамеренных отклонений температуры прокатки, диаметра исходной заготовки, других технологических факторов. Практически эти данные по точности означают, что на каждом из станов можно выпускать до 70 и более, уверенно идентифицируемых позиций размерного сортамента.

Рабочие валки министанов унифицированы по размерно-марочному сортаменту, изготавливаются из низколегированных сталей типа ЗОХГСА, 5ХНМ, и др. обычной токарной обработкой с последующей термообработкой на твердость 40...44 НРС.

Стойкость валков достаточна для эффективного промышленного применения. Динамика эксплуатационного износа существенно не влияет на условия деформации, качество прутков и в широких пределах компенсируется настройкой стана. Перевалка кратковременна и не требует специальных подъемно-транспортных механизмов.

Проведенные исследования и наработанный опыт дали достаточные основания для определения областей эффективного применения новой прокатной техники. К ним в первую очередь относятся:

- гибкое производство точных прутков мелких и средних сечений малыми и сверхмалыми партиями по расширенному размерно-марочному сортаменту. Оперативное удовлетворение регионального спроса . Максимальное приближение производства к потребителю.

- создание сервисно-адаптирующих прокатных модулей в составе машиностроительных предприятий для формирования экономной структуры заказов и использования металла, вовлечения в хозяйственный оборот прутковых отходов, немерных остатков и др.

- производство мелких профилей и проволоки из цветных металлов и сплавов в качестве буферного звена между начальным горячим ( продольной прокаткой или/и прессованием ) и финишным холодным деформированием, перекрывающее относительно труднодоступный диапазон диаметров 10...60 мм.

- научно-исследовательские и опытные работы по новым материалам и технологиям в качестве гибкого и эффективного средства горячей пластической деформации.

Кроме того, есть основания полагать, что данными разработками создано новое качество прокатной мини-техники и технологии, значимость которого выходит за рамки собственно обработки металлов давлением. При наличие адекватных решений со стороны техники плавильных производств разработанные министаны способны положить начало развитию микрометаллургических заводов, как нового структурного сектора металлургии в целом, ориентированного на быстрое удовлетворение региональных потребностей в среднем и мелкосортном прокате из черных и цветных металлов и сплавов.

Мини-станы являются автономными агрегатами, допускающими как самостоятельную работу на выпуск товарной продукции, так и широкое модульное конфигурирование в соответствие с оперативными потребностями заказчика. Разработаны и завершается изготовление (на РМЗ АО «НЛМК») двух характерных прокатных модулей I и II.

Модуль Г со станом "40-120" предназначен для выпуска 3...12 тыс.т. в год круглого проката диаметром 40...80 мм. Исходным материалом для стана "40-120" могут служить предварительно деформированные, непре-рывнолитые заготовки, слитки ЭШП, ВДП, ЭШКЛ и др. диаметром до 120 мм. Модуль II со станом "20-45" и двумя станами "10-30" рассчитан на производительность до 2,0 т/ч прутков диаметром 10...45 мм. Оборудование модуля I массой 40 т. (включая нагревательные печи ) размещается на площадях около 140 кв. м. Модуль II занимает площадь 150 кв. м. и имеет массу оборудования 18 т., в том числе основного прокатного 7 т.

Совместно модули I и II образуют технологически непрерывный сортопрокатный мини-комплекс, обеспечивающий производство прутков мелких и средних сечений непосредственно излитого металла. Этот комплекс отличается сбалансированным набором характеристик по металло-и энергоемкости, универсальности и гибкости технологии, доступности

изготовления оборудования, простоте и надежности его эксплуатации, занимаемым производственным площадям, быстроте возврата капитальных вложений.

В период с 1992 года по разработанной технической документации изготовлено, установлено и введено в промышленную эксплуатацию более 10 министанов различных типоразмеров, которые применяются для прокатки металлов и сплавов различного назначения. В частности на АО «ВСМПО» модуль из трех станов серии «10-30» является звеном современного комплекса оборудования по производству прутков мелких сечений (до 10(8) мм) из титановых сплавов. Подобных аналогов в отечественной и мировой практике нет.

Промышленное применение технологии и станов стационарной винтовой прокатки сплошных заготовок

В 1984 году на АО "Электросталь" пущен в промышленную эксплуатацию среднесортно-мелкосортно-проволочный стан 350/250. Стан спроектирован и изготовлен на ПО «Электростальтяжмаш». Специализирующую долю марочного сортамента этого стана составляют высоколегированные стали и сплавы, в том числе и с пониженной технологической пластичностью; жаростойкие, быстрорежущие стали, жаропрочные сплавы на никелевой основе и многие другие специальные стали и сплавы.

С учетом достигнутых в МИСиС положительных результатов по разработке технологии стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков, исследованию качества проката, готовности ПО «Электростальтяжмаш» в кратчайшие сроки спроектировать и изготовить требуемое новейшее оборудование, а также насущности производства прутков из новых специальных сплавов ( типа ЭК -31 и др.) было принято решение об установке обжимной клети стационарной винтовой прокатки вместо клети трио "750" продольной прокатки по первоначальному проекту. Краткая техническая характеристика клети винтовой прокатки, установленной в головной части обжимной группы представлена в табл.4. В основу технологии прокатки на обжимной клети положена схема деформирования металла по чашевидной и реверсивной чашевидно-грибовидной схемам с положительным скручиванием в области углов подачи р= 18...24?, средних углов наклона образующей валка к оси прокатки на обжимном участке а = 10...15° . При прокатке в несколько проходов впервые в промышленном производстве реализована технология реверсивной винтовой прокатки.

Опыт промышленного освоения и эксплуатации стана непосредственно подтвердил эффективность решений по разработанной технологии стационарной винтовой прокатки и особенностям качества получаемого металла. Первая в мире промышленная технология и клеть реверсивной

винтовой прокатки стали объектами тщательных научно-производственных исследований, в которых широко приложены разработанные расчетно-аналитическое обеспечение и теоретические положения стационарной винтовой прокатки сплошных заготовок.

Таблица 4 Техническая характеристика обжимной клети винтовой прокатки стана 350/250

Прокатная клеть трехвалковая, ре-

версивная, винтовой прокатки, барабанного типа

Схема прокатки:

прямые проходы обратные проходы Размеры исходной заготовки, мм диаметр (максимальный) длина

Предельные размеры проката, мм диаметр (минимальный) длина (максимальная) Размеры рабочих валков, мм . диаметр бочки (в пережиме) длина бочки Угол подачи, град Угол раскатки,град Частота вращения валков, мин"1 Максимальное усилие металла на валок, кН Максимальный крутящий момент на одном валке, Кнхм Привод валков

Тип электродвигателя Мощность главного привода, кВт

реверсивная чашевидная грибовидная

130

1500...3000

58 11800

320 ' 360 15...30 ±10

30...130 1500 60

реверсивный, индивидуальный, ре-дукгорный постоянного тока 3x800

Установка в линии стана 350/250 реверсивной клети винтовой прокатки расширила технологические возможности стана в целом. В первую очередь это проявилось в существенном расширении марочного сортамента прокатываемых сталей и сплавов. Освоена технология производства готовых сортовых профилей непосредственно с клети винтовой

прокатки сталей и сплавов традиционно кузнечного сортамента, позволившая вывести из эксплуатации 1т молота свободной ковки, решив тем самым актуальную задачу для многих заводов специальной металлургии: замены ковки прокаткой. При этом отмечено, что производительность деформирования металла на клети винтовой прокатки в 10...15 раз выше, чем при ковке на молоте, а общее число марок, ранее производимых на молотах свободной ковки и переведенных на технологию винтовой прокатки, составляет более 100.

Освоены запатентованные технологии деформирования новых металлических материалов (быстрорежущих сталей порошкового моно- и биметаллического исполнения, высокоплотных сплавов типа ЭК-31 и др), включающие сочетание горячего экструдирования и последующей винтовой прокатки, с выходом на заданный уровень свойств в конечном металлоизделии.

Всего на стане 350/250 возможно производство проката через обжимную клеть винтовой прокатки более 1000 марок из заготовок увеличенного диаметра до 90..,125мм. Многолетний производственный опыт убедительно подтвердил установленную закономерность об исключительной универсальности (инвариантности) калибровок валков и базовых установочных параметров рационального процесса стационарной винтовой прокатки в отношении марочного сортамента, обжатия за проход и количества проходов.

Управляемый разогрев металла в очаге деформации позволяет выдерживать узкий температурный интервал, вплоть до изотермических условий деформирования при реверсивной винтовой прокатке в несколько проходов. Так например, при прокатке быстрорежущей стали с 090 до 060 за три г^охода при частоте вращения рабочих валков 60 мин'1 температура металла в очаге стабилизируется на уровне 1120±20°С при начальной температуре нагрева под прокатку 1050°С. В общем по марочному сортаменту температура нагрева под. прокатку может быть снижена на 20...100°С по сравнению с температурой максимальной пластичности или с режимами нагрева под традиционные способы деформирования. В ходе освоения стана обнаружилось и в дальнейшей эксплуатации применяется по факту способность технологии винтовой прокатки к выравниванию температуры раската и существенному снижению погрешностей исходного нагрева за счет дифференцированного (более холодные места, разогреваются с большим температурным эффектом) характера деформационного разогрева.

Обжимная клеть винтовой прокатки стана 350/250 реализует как собственно реверсивную винтовую прокатку, так и различные оригинальные модификации этого режима. Весьма эффективным в промышленном применении оказался способ прокатки в несимметричных калибрах с настройкой промежуточных калибров перемещением одного верхнего валка

[27]. В возможности и практической эффективности этого способа реализуются еще и такие положительные качества стационарной винтовой прокатки как, самоустановка заготовки в трехвалковом очаге деформации и самоустановка оси прокатки, несовпадающей с осью стана. Несимметричность калибра не создает каких либо проблем в отношении деформируемости металла, качества поверхности и продольной кривизны проката, условий захвата и выхода заготовки из очага, а также стационарности процесса. Преимущества такого способа настройки состоят в сокращении числа единиц с 10 до 6 настроечных механизмов перемещения, действующих в каждой паузе между проходами

Специально проведенные в МГИСиС исследования экономического аспекта разработанной технологии1 в сравнении с продольной прокаткой ( если такое допустимо по марочному сортаменту, качеству и свойствам металла) показали существенное снижение издержек (до 5...7 и более %) производства прутков из малопластичных сталей и сплавов, максимально увеличивающееся на высоколегированных и труднодеформируемых сплавах.

Заключение и основные выводы

На основании обобщений, теоретических и экспериментальных исследований разработана и внедрена прогрессивная технология стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков малопластичных сталей и сплавов, позволяющая существенно поднять технический уровень сортопрокатного производства за счет расширения марочного сортамента, повышения точности геометрических размеров, комплексного улучшения физико-механических и служебных свойств металла при снижении отходов и издержек производства.

1. Выполнено обобщенное теоретическое исследование процесса стационарной винтовой прокатки, позволившее установить ограничения в факторном пространстве для создания технологии деформирования малопластичных сталей и сплавов. Показано, что областью, перспективной для эффективного деформирования, является прокатка по чашевидной схеме с положительным скручиванием при больших углах подъема винтовых поверхностных траекторий р > 18° на выходе из очага деформации, образованного валками с минимальной конусностью обжимного участка.

2. Создана и внедрена в промышленность технология стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков, позволяющая бездефектно деформировать малопластичные стали и сплавы с коэффициентами вытяжки за проход до 4,5.

3. Разработано расчетно-аналитическое обеспечение процесса, включающее методики: кинематической оценки неравномерности пласти-

1 Семснгога В И. Раднально-сдвиговая прокатка в научно-техническом прогрессе прокатного производства (экономическое исследование), автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических на>к. М . МПСпС. 1089 г.

ческого течения металла в объеме очага деформации; поциклового развития деформации с учетом тангенциальной раскатки и выходом на макрорельеф поверхности получаемого проката; анализа закономерностей формирования температурного поля заготовки; расчета энерго-силовых параметров процесса в статическом и энергетическом подходах.

3. Экспериментально установлен характер разрушения заготовок из малопластичных сталей и сплавов, составлена шкала ранговой оценки по степени его развития и описаны закономерности влияния технологических факторов процесса на деформируемость заготовок, определены технологические режимы, гарантирующие винтовую прокатку без макроразрушения металла.

4. Разработаны универсальные калибровки рабочих валков с углом наклона образующей к оси прокатки 10...15 , практически инвариантные к технологическим свойствам металла, коэффициентам вытяжки за проход и количеству проходов.

5. Разработан и внедрен новый способ (и его варианты для специальных случаев) стационарной винтовой прокатки в несколько проходов на одном стане- реверсивная винтовая прокатка - дополняющий классификацию схем винтовой прокатки новой позицией -«реверсивная чашевидно-грибовидная схема».

6. На основе комплексных исследований и многолетнего практического опыта синтезирована прокатная технико-технологическая система -«министан винтовой прокатки», описываемая единым набором параметров и специально ориентированная на оперативное производство точных прутков мелких (до 010) и средних (до 060) сечений ограниченными партиями в расширенном размерно-марочном сортаменте. В период с 1992 по 1997 г. ■ ^готовлено и внедрено более 10 министанов. Разработаны рабочие проекты прокатных миникомлексов с модульным применением министанов винтовой прокатки.

7. Пластическое формоизменение металла в процессе винтовой прокатки по разработанным режимам характеризуется развитыми сдвиговыми деформациями, отсутствием дефектов прокатного происхождения, способствующими интенсивной проработке структуры металла на всех уровнях металлофизического строения и качественному улучшению ряда физико-механических и служебных свойств. Промышленное опробование металлорежущего инструмента различных видов, изготовленного из деформированной винтовой прокаткой стали Р6М5, показало повышение его износостойкости в 1,8 - 2,5 и более раза по сравнению с серийным инструментом.

8. Разработанный процесс характеризуется интенсивным деформационным разогревом с температурным эффектом до 100°С и более, предписывающим соответствующее снижение температуры нагрева под прокатку и позволяющим устойчиво поддерживать узкий температурный

интервал при многопроходной прокатке путем управляющего воздействия на разогрев через коэффициент вытяжки за проход, частоту вращения валков и длительность пауз между проходами. Удельная экономия энергии только за счет снижения исходной температуры нагрева достигает, а в ряде случаев превышает, удельный расход энергии собственно на прокатку.

9. Экспериментально доказана и широко используется на практике способность разработанного процесса пластически деформировать про-мышленно не прокатываемые другими способами металлические материалы, например жаропрочные суперсплавы на никелевой основе, белые чугуны с содержанием углерода до 2,5...3,0% и др., с последующим расширением их практического применения.

10. Разработанная технология имеет модульный характер, позволяющий применять её как автономно на выпуск товарной продукции, так и в сочетании с другими процессами ОМД. Показана эффективность комплексных технологий: «продольная прокатка - винтовая прокатка в различных комбинациях»; «экструзия - винтовая прокатка»; «горячая экструзия - винтовая прокатка -холодная гидроэкструзия»; «продольная прокатка - винтовая прокатка - волочение», создающих синергетический эффект в структурном строении и формировании свойств деформируемого металла.

11. Обоснованы и определены области эффективного промышленного использования разработанной технологии. К ним в частности относятся: оперативное производство прутков из малопластичных сталей и сплавов ограниченными партиями в расширенном размерно-марочном сортаменте; деформирование заготовок в обжимных группах сортопрокатных станов; применение взамен ковки на молотах при реконструкции кузнечных цехов; применение в специальных задачах ОМД для получения повышенных служебных свойств металлопродукции.

Разработанная технология внедрена на среднесортно-мелкосортно-проволочном стане 350/250 АО «Электросталь», имеющем в составе специально установленную обжимную реверсивную клеть стационарной винтовой прокатки (изготовления ПО «Элекгростальтяжмаш»). Разработан ряд технических заданий на применение технологии стационарной винтовой прокатки взамен ковки на молотах, а также в условиях инструментально-заготовительных производств для повышения эксплуатационных свойств инструментальных сталей. В период с 1992 по 1997 годы изготовлено и внедрено более 10 министанов винтовой прокатки различных типоразмеров, воспроизводящих разработанную технологию. На использование в производстве патентоохраняемых объектов промышленной собственности заключено 3 лицензионных договора.

Основное содержание опубликовано в работах:

1. Потапов И.Н. .Галкин С.П., Харитонов Е.А., Зимин В.Я., Михайлов

B.К., Булавин В.Л. Распределение шагов подачи по очагу деформации при винтовой прокатке. - в сб. Пластическая деформация металлов и сплавов. Научные труды МИСиС № 118, М., Металлургия 1979,с.

2. Галкин С.П., Харитонов Е.А., Михайлов В.К., Балашов А.Б. Определение минимального диаметра калибра трехвалкового стана винтовой прокатки. - в сб. Теория и технология обработки металлов давлением. Научные труды МИСиС № 139, М., Металлургия, 1982,с. 27-30.

3. Потапов И.Н., Галкин С.П., Харитонов Е.А. Качество прутков из малопластичных сталей и сплавов, деформированных методом винтовой прокатки. -М., 1981. - 8 с. - Рукопись представлена Московским институтом стали и сплавов. Деп. в ин-те "Черметинформация" 2 апреля 1981г., № 1219.

4. Ноьая технология винтовой прокатки сортовых профилей/ П.И. Лопухин, И.Н. Потапов, Е.А. Харитонов, В.Я. Зимин, С.П. Галкин. - Кузнечно-штамповочное производство, 1982, № 9, с. 17-18.

5. Построение кинематически возможного поля скоростей в процессе винтовой прокатки сплошных профилей круглого сечения. / И.Н. Потапов, А.И. Александрович, С.П. Галкин и др. -М., 1981. -7с. - Рукопись представлена Московским институтом стали и сплавов. Деп. в институте "Черметинформация" 2 апреля 1981 г., № 1218.

6. Расчет кинематических и деформационных параметров винтовой прокатки сплошных круглых заготовок. I И.Н. Потапов, С.П. Галкин, А.И. Александрович и др. -М., 1982. -7 с. - Рукопись представлена Московским институтом стали и сплавов. Деп. в институте "Черметинформация" 11 января 1982 г., № 1481.

7. Новая технология деформирования слитков и заготовок методом винтовой прокатки /П.И.Полухин, И.Н.Потапов, ЕАХаритонов, В.Я. Зимин,

C.П.Галкин II Тезисы ВНТК «Применение полунепрерывно- и непре-рывнолитых заготовок в кузнечно-штамповочном производстве»,- М., 1982,- с.28-30.

8. Биметаллические прутки с наружным слоем из быстрорежущей сталиI И.Н.Потапов, Ю.Н.Скорняков, Ю.В.Артомонов, С.П.Галкин // Стуктура и свойства инструментальных и подшипниковых сталей", Сб. трудов, М., Металлургия,1984, с.19-22.

9. Структура и свойства литого и деформированного хромистого чугуна / И.Г.Морозова, С.П.Галкин, Н.И. Потапов, Н.В. Даренский II Обработка металлов давлением, Сб. трудов МИСиС, М.,Металлургия, 1984 с 5961.

10. Винтовая прокатка сплошных заготовок из жаропрочных никелевых сплавов / Потапов И.Н., Галкин С.П., Харитонов Е.А. и др. // Вопросы

авиационной техники и технологии. Серия "Технология легких сплавов", ВИЛС, №3, 1985, с. 40-43.

11. Формирование микродуплексной структуры жаропрочного никелевого сплава ЖС6УД, подвергнутого прокатке /А.А.Алалыкин, И.Н.Потапов, В.«.Портной, В.И.Шварц, Б.С.Ломберг, С.П.Галкин, Е.В.Бабурина, В.ф.Котов, А.С.Дудкин // Тезисы 2 ВНТК «Сверхпластичность металлов» .- М., 1981,-с 81-83.

12. Радиально-сдвиговая прокатка сортового металла / И.Н.Потапов, П.И.Полухин, Е.А.Харитонов, С.П.Галкин // Теория и технология метал-ло- и энергосберегающих процессов обработки металлов давлением Сб. научн. трудов МИСиС, М.,Металлургия, 1986, с.72-78.

13. Анализ скоростных, деформационных и энергосиловых параметров радиально-сдвиговой прокатки / П.И.Полухин, С.П.Галкин, П.М.Финагин, Н.И.Потапов // Теория и технология металло- и энергосберегающих процессов обработки металлов давлением Сб. научн. трудов МИСиС, М.,Металлургия, 1986, с. 115-119.

14. Потапов И.Н., Галкин С.П., Самусев С.В. Теория процессов производства бесшовных и сварных труб. Учебное пособие. М., МИСиС, 1988, 78 с.

15. Радиально-сдвиговая прокатка - эффективное средство повышения качества быстрорежущей стали/ С.П.Галкин, Б.В. Карпов, Н.И.Потапов/Юбработка металлов давлением. Сб. трудов МИСиС, М.,Металлургия, 1987, с.19-22.

16. Об оптимальном пространственном положении валков стана ради-ально-винтовой прокатки/ И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, В.К.Михайлов, В.Я. Зимин //Повышение эксплуатационной надежности деталей и технологического инструмента металлургических машин. Сб. научн. трудов МИСиС, М.,Металлургия, 1991,с. 121-126.

17. Технология и мини-стан винтовой прокатки нового типа для получения точных прутков мелких сечений / С.П.Галкин, Б.В.Карпов, В.К.Михайлов, Б.А.Романцев// Наука, производство и применение титана в условиях конверсии, 1 Международная научно-техническая конференция по титану стран СНГ, том 2, стр., 768-769, 1994 г.

18. Технология и мини-стан винтовой прокатки для получения точных прутков мелких сечений/ С.П.Галкин, Б.В.Карпов, В.К.Михайлов, Б.А.Романцев, В.П.Полухин/ГЦветные металлы" №10, 1995 г,

19. Микро-микро сортовой стан/ Б.А.Романцев, С.П.Галкин, В.К.Михайлов, В.Н.Хлопонин, А.Н.Корышев//"Сталь" №2, 1995г.

20. Микро-микросортовой стан - прокатная техника нового типа для микрометаллургических заводов/ Б.А.Романцев, С.П.Галкин, В.К.Михайлов, В Н Хлопонин //Труды первого конгресса прокатчиков, Международный союз прокатчиков,М..1996 г., с.164-169.

21. Галкин С П. Технология и министаны винтовой прокатки - новое решение в технике для производства круглых профилей мелких сечений.

Теория и технология процессов пластической деформации. Труды научно-технической конференции, М., МИСиС, 1997, с. 125-135.

22. Прокатная техника для микрометаллургического завода/ Б.А.Романцев, С.П.Галкин, В.К.Михайлов, В.Н.Хлопонин// Теория и технология процессов пластической деформации. Труды научно-технической конференции, М., МИСиС, 1997, с. 180-181.

23. Пат. СССР №1615960 Способ реверсивной винтовой прокатки. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, В.К.Михайлов, В.Я. Зимин.

24. Пат. СССР №1603593 Способ винтовой прокатки. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, В.К.Михайлов, В.Я. Зимин.

25. Пат. СССР №1448465 Способ реверсивной винтовой прокатки. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, В.Я. Зимин, В.К.Михайлов.

26. Пат. СССР №1501368 Способ винтовой прокатки. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, В.К.Михайлов, В.Я. Зимин.

27. Пат. СССР №1617740. Способ получения круглых профилей. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, В.Я. Зимин, В.К.Михайлов.

28. Пат. СССР №1600090 Способ получения круглого сортового проката. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, В.К.Михайлов.

29. Пат. СССР №1646110 Способ винтовой прокатки круглых профилей. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, ЕАХаритонов, В.К.Михайлов, В.Я. Зимин.

30. Пат. РФ №1816236 Способ получения круглого сортового проката. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов и др. опубл. БИ №18,1993 г.

31. Пат. РФ №1817709 Способ получения круглого сортового проката. B.C. Душин, И.Н.Потапов, С.П.Галкин и др. опубл. БИ №19, 1993 г.

32. Пат. РФ №1816236 Способ получения круглого сортового проката. И.Н.По.тапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов и др. опубл. БИ №18, 1993 г.

33. Пат. РФ №1821003 Способ получения сортового проката из легированных металлов и сплавов. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов и ДР-

34. Пат. РФ №2009733 Способ получения круглых прутков прокаткой.

B.К.Михайлов,С.П.Галкин, Б.А.Романцев. - Опубл. в Б.И., 1994, №6.

35. Пат. РФ №2009736 Способ винтовой прокатки круглых профилей.

C.П.Галкин, В.К.Михайлов, Б.А.Романцев. - Опубл. в Б.И., 1994, №6.

36. Пат. РФ №2009737 Трехвалковый стан винтовой прокатки и технологический инструмент стана винтовой прокатки. Б.А.Романцев, В.К.Михайлов, С.П.Галкин, и др. - Опубл. в Б.И., 1994, №6.

37. Пат. РФ №2014914 Технологический инструмент прокатного стана для :олучения круглых профилей. И.Н.Потапов, С.П. Галкин, В.К. Михайлов и др. опубл. БИ №12; 1994 г.

38. Пат. РФ №2016670 Способ получения сортового проката из легированных металлов и сплавов. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, В.К.Михайлов, В.С.Душин, В.П.Пахомов, Л.Г.Курочкина.

39. Пат. РФ №2020006 Прокатный стан для производства сортового проката. И.Н.Потапов, Е.А.Харитонов, Н.П.Рябихин, М.А.Минтаханов, В.С.Душин, С.П.Галкин, И.З.Вольшонок,-Опубл. в Б.И., 1994, №18.

40. Пат. РФ №2037345 Способ получения профилей мелких сечений и прокатный стан для его осуществления. С.П.Галкин, Б.В.Карпов,

B.К.Михайлов, Б.А.Романцев, В.Н.Хлопонин. - Опубл. в Б.И., 1995, №17

41. Пат. РФ №2038175 Способ получения прутков из легированных металлов и сплавов. • С.П.Галкин, Б.В.Карпов, В.К.Михайлов, Б.А.Романцев. - Опубл. в Б.И., 1995, №18.

42. Пат. РФ №2073572 Способ винтовой прокатки круглых профилей.

C.П.Галкин, Б.В.Карпов, В.К.Михайлов, Б.А.Романцев. - Опубл. в Б.И., 1997, №5.

4 3 . A.c. СССР № 786120 Способ винтовой прокатки прутков из малопластичных сталей и сплавов. П.И.Полухин, И.Н.Потапов, Е.А.Харитонов, С.П.Галкин, Л.М.Пучков, Г.А.Хасин, В.А.Юров.

44. A.c. СССР № 877843 Прокатный стан для производства сорта. П.И.Полухин, И.Н.Потапов, В.Н.Жучин, А.В.Демидов, П.И.Тетельбаум, Е.А.Харитонов, В.М.Егоров, Г.Д.Сердюк, В.Д.Сальный, П.М.Финагин, С.П.Галкин, В.М. Аниканов.

45. A.c. СССР № 966975 Способ получения прокатных изделий из малопластичных сплавов. И.Н.Потапов, Е.А.Харитонов, С.П.Галкин, В.П.Романенко.

46. A.c. СССР № 1022401 Способ изготовления прутков из порошковой стали. И.Н.Потапов, В.Н.Жучин, Ю.В.Артамонов, Ю.Н.Скорняков, Е.А.Харитонов, Р.А.Лиждвой, С.П.Галкин, А.Ф.Клименко.

47. A.c. СССР № 1128613 Способ изготовления деталей из высоколегированных никелевых сплавов. П.И.Полухин, А.А.Алалыкин, Е.А.Бабурина, С.П.Галкин и др.

48. A.c. СССР № 1278160 Многослойный пруток. И.Н.Потапов, Е.А.Харитонов, С.П.Галкин, Ахмедшин Р.И., Виноградов А.Ф. - Опубл. в Б.И., 1986, №43.

49. A.c. СССР № 1284064 Способ винтовой прокатки профилей из легированных металлов и сплавов. И.Н.Потапов, П.И.Полухин, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов.

50. A.c. СССР № 1334452 Способ получения сортового проката. И.Н.Потапов, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, Н.И.Потапов.

51. A.c. СССР Na 1339943 Способ винтовой прокатки круглого проката. И.Н.Потапов, П.И.Полухин, Е.С.Смелов, Е.А.Харитонов, С.П.Галкин, В.Я.Зимин, П.М.Финагин, Б.Т.Нестеров, Н.И.Потапов.

52. A.c. СССР № 1403447 Способ реверсивной винтовой прокатки сплошных круглых заготовок. И.Н.Потапов, П.И. Лопухин, С.П.Галкин, Е.А.Харитонов, В.К.Михайлов, П.М.Финагин, В.Я.Зимин.