Реферат в даний час особливу увагу до себе привертають матеріали отримані методами інтенсивної пластичної деформації (іпд), тому що вони дозволяють помітно поліпшити властивості матеріалів



Скачати 130.69 Kb.
Дата конвертації30.04.2016
Розмір130.69 Kb.




РЕФЕРАТ
В даний час особливу увагу до себе привертають матеріали отримані методами інтенсивної пластичної деформації (ІПД), тому що вони дозволяють помітно поліпшити властивості матеріалів. Під ІПД розуміють обробку з застосуванням зсувних деформацій які сприяють формуванню сильно подрібнених разорієнтованих зерен. Методи ІПД досить добре вивчені на кольорових металах (Cu, Al, Ti та їх сплавах), і накопичено великий досвід з управління структурою шляхом варіювання параметрів процесу деформації. Публікації що до застосування методів ІПД до чорних металів носять нечисленний характер, що пов'язано з трудомісткістю процесу обробки. Однак основна кількість металу, що виплавляється в усьому світі припадає на частку чорних металів, тому актуальність обробки сталей методами ІПД - очевидна. В якості досліджуваного об'єкта була обрана маловуглецева конструкційна сталь будівельного призначення. Вибір саме будівельної марки сталі обумовлен тим, що понад 90% виплавленої сталі має будівельне призначення. Однією з важливих проблем є підвищення експлуатаційних властивостей та зменшення енергоємності виробництва відповідальних деталей будівельних конструкцій.

В сортопрокатному виробництві формування комплексу механічних і експлуатаційних властивостей в основному досягають за рахунок варіювання хімічного складу сталі і створення заданої структури металу в ході пластичного деформування і подальших операцій охолоджування і термічної обробки.

У роботі запропоновано новий метод інтенсивної пластичної деформації - прокатка із зсувом (ПЗ-технологія) яка характеризується об'ємним напруженим станом та є ресурсозберігаючою. Даний метод реалізований у масовому виробництві і дозволяє отримувати матеріали без анізотропії структури і властивостей в подовжньому і поперечному перетинах. Матеріали, отримані прокаткою із зсувом, володіють підвищеним ресурсом пластичності, та в процесі волочіння в дріт дають можливість виключити проміжний пом'якшувальний відпал, і забезпечують високу технологічність обробки.

Мета роботи: Якість дроту на заводах метизів оцінюють як по показниках якості готової продукції, так і по показниках витрат на її переробку. Висока обривність дроту служить основною причиною простою устаткування при волочінні. Одна з найпоширеніших причин обривності - низька пластичність дроту. Рішенням проблеми підвищення пластичності дроту може бути проведення проміжного пом'якшувального відпалу, який значно здорожує собівартість і ускладнює процес виробництва. Застосування спеціальних методів деформації дозволяє отримати матеріали з рядом структурних особливостей, що забезпечують високий запас пластичності. Зокрема, йдеться про прокатку із зсувом (ПЗ), яка розроблена із застосуванням сучасних уявлень про інтенсивну пластичну деформацію із зсувом. Всі вживані зараз схеми інтенсивної пластичної деформації не можуть бути реалізований в потоковому, масовому виробництві, а розміри одержуваних зразків дуже малі. У разі застосування ПЗ технології з'являється можливість отримання катанки з особливим комплексом властивостей для масового споживача. Таким чином, в даній роботі поставлена задача досліджувати спадковий вплив структури катанки із сталі 08Г2С, виготовленої за ПЗ технологією і за традиційною технологією ВАТ «Міттал стіл Кривий Ріг», на структуру і експлуатаційні властивості дроту з метою поліпшення його якості і зниження енерговитрат при виробництві.

Комбінована пластична деформація металів є визнаним інструментом для формування дрібнодисперсних структур. Під комбінованою пластичною деформацією розуміється деформація в умовах дії декількох сил або декількох моментів сил. До таких схем деформації, активно що розвивається останнім часом, відносяться схеми інтенсивної пластичної деформації із застосуванням високого тиску і зсуву. Нагромадилася значна кількість даних для різних класів матеріалів про сумісний вплив зсувних напруг і тиску на процеси структуроутворення. Отриманий цілий клас матеріалів з високим рівнем пластичності при збереженні міцності. В багатьох роботах доводиться необхідність застосування високого тиску, який дозволяє реалізувати механізми релаксації без руйнування металу. Це дає можливість продовжити процес холодної або теплої пластичної деформації з накопиченням ступеня деформації.

В той же час особливості процесів гарячої деформації, дозволяють здійснити масоперенос і «залікувати» дефекти при деформації. Це дає принципову можливість застосувати комбіновану інтенсивну гарячу пластичну деформацію без додатку високого тиску для отримання матеріалів з високим рівнем міцності і пластичності.

Відомо, що схема деформації, число проходів, температура деформації і особливо температура закінчення деформації визначають протікання процесів розпаду аустеніту після деформації разом з впливом швидкості охолоджування. Регулювання температури закінчення прокатки і швидкості охолоджування, а також мікролегування дозволяють отримати дрібні рекристалізовані зерна з висококутовими межами і великою кількістю дислокацій в тілі зерна. Більшість добре апробованих і широко вживаних схем термомеханічної обробки формує дрібне зерно (9— 11 по ГОСТ 5639) з розвинутою субструктурою і великою кількістю дислокацій (>1010 см-2) в тілі зерна. Саме тому метал, що має після гарячої пластичної деформації задовільне поєднання властивостей міцності і пластичності, при подальших деформаційних обробках (волочінні) швидко втрачає пластичність і потрібна спеціальна термічна обробка для відновлення пластичних характеристик і отримання можливості продовження деформаційної обробки. Проте проведення відпалу для відновлення пластичності означає додаткове витрачання енергетичних і матеріальних ресурсів, тоді як залишаються невикористаними ресурси підвищення пластичності за рахунок отримання особливої структури і субструктури матеріалів.

На прикладі вуглецевої сталі 70 показана можливість отримання матеріалу з високим рівнем міцності і пластичності в процесі комбінованої пластичної деформації без додавання високого тиску. Для цього реалізується схема гарячого плющення з великими разовими обтисненнями, особливістю якої є створення значних зсувних деформацій в процесі формозмінення у калібрах. При цьому пластичну деформацію металу здійснюють не менше двох разів при температурі не нижче за температуру нижньої критичної точки фазових перетворень, з частковим обтисненням не менше 0,10 в парах калібрів, де перший є пластовим, а другий - ребровим калібром простої форми. Наступне охолоджування здійснюють в будь-якому з охолоджуючих середовищ зi швидкістю не менше 1,5°С/хв. до температури кінця структурних перетворень. Особливістю є те, що прокатку в ребрових калібрах здійснюють при зсуві струмків калібру щодо один одного уздовж осі валків на відстань 0,05...0,20 ширини струмка (Рис.2.1). Така схема отримала назву «прокатка із зсувом». Застосування цієї схеми деформації дозволяє сформувати структуру, сприяючу полегшеному протіканню полигонизації і рекристалізації in-situ в процесі як холодної, так і гарячої деформації. Це дозволяє сформувати дрібні зерна з малою кількістю дислокацій в тілі зерна і великокутовими межами, сприяючими протіканню зернограничного прослизання і ротації.

Динамічність сформованої дислокаційної структури і велика кількість вакансій приводять до реалізації активного дифузійного масопереносу і внутризеренного ковзання. Особливості такої структури приводять до отримання високих характеристик міцності і пластичності матеріалу, причому забезпечується значний ресурс пластичності, що виявляється при подальших деформаціях і відпалі.








а

б

Рис. 1 Очаг деформації у зсувному калібрі при прокатці зі зсувом: а – ізометрія, б – схема очагу

Для оцінки деформації, накопиченої при прокатці зі зсувом, скористаємося схемою, представленої на (Рис. 1 б) Так, при ПЗ деформацію можна розкласти на деформацію прокатки і деформацію зсуву. Для визначення ступеня деформації прокатки скористаємося наступною формулою e=ln (S/S0), що в нашому випадку є e = 0.36.

Деформацію зсуву розрахуємо за формулою, призначеною для визначення деформації при рівноканальному кутовому пресуванні (РККП), запропонованої Сегалом, а саме . Зважаючи на неоднорідність осередку деформації необхідно проінтегрувати дану формулу по всіх кутах . Для спрощення розрахунків візьмемо 3 точки, як показано на схемі (Рис. 1 б), і, усереднивши накопичену деформацію, отримаємо оцінку середнього значення накопиченої деформації в зсувному калібрі e = 0.14. Таким чином, загальна накопичена деформація буде e = 0.36 + 0.14 = 0.5, що на 40% більше, ніж у разі прокатки без зсуву. Дані оцінки задовільно узгоджуються з експериментальними вимірюваннями потужності, споживаної двигунами зсувних валків. Як відомо, потужність прямо пропорційно пов'язана з тиском на робочий інструмент і накопиченої деформацією. Встановлена експериментально різниця споживаної потужності становить 30%, що на 10% менше, ніж зміна деформації в наших оцінках. Таким чином, оцінка ступеня деформації, виконана розрахунковим шляхом, розходиться на 10% з експериментально встановленою величиною, що є цілком допустимим з урахуванням того, що для її оцінки використовувалася формула для розрахунку деформації при РККП.

Розвиток, який одержала робота з часу попереднього представлення:

З часу попереднього представлення роботи було досліджено вплив інтенсивної пластичної деформації на структуру та експлуатаційні характеристики маловуглецевої сталі на прикладі використання теплої гвинтової екструзії до маловуглецевої сталі 20Г2С.

Показано, що тепла інтенсивна пластична деформація маловуглецевої сталі марки 20Г2С, приводить до фрагментації структурних складових: фериту і цементиту. Зерна фериту після деформації подрібнюються в 3 рази і характеризуються значною питомою часткою великокутових границь зерен (85 %). Структура відрізняється різнозернистістю, характерна наявність зерен двох типів: великих ( 10 - 30 мкм) і дрібних (1.5 - 10 мкм). Змінюється морфологія цементиту з пластинчастого на глобулярний, відбувається перерозподіл легуючих компонентів (C , Mn) у фазах, змінюється співвідношення фаз. Зміст вуглецю в феритній матриці зростає в 1.4 рази, спостерігається зменшення цементитної складової Fe3C з 20 до 6 %, і зменшення текстурованності структури матеріалу.

У процесі теплою інтенсивної пластичної деформації структура маловуглецевої сталі формується шляхом поетапного розвитку механізмів динамічної полігонізації і рекристалізації, зернограничного проковзування, фрагментації. При цьому спостерігаються великі залишкові напруги в матеріалі (локальні збільшення та зменшення міжплощинних відстаней) .

Тепла інтенсивна пластична деформація маловуглецевої сталі дозволяє в 1.5 рази підвищити міцність матеріалу при збереженні високого рівня пластичності, що є вкрай необхідним для металообробляючої промисловості.

Науково-технічні результати: В роботі вирішено важливу науково-технічну проблему пов’язану з підвищенням експлуатаційних характеристик маловуглецевої сталі з застосуванням інтенсивної пластичної деформації. Комбінування метода ІПД та холодного волочіння дозволило отримати сталевий дріт з підвищеними на 20% показниками міцності та значним ресурсом пластичності, що дозволило виключити з технології проміжний відпал на етапі волочіння. Крім того розроблено засади та методологію аналізу структурних властивостей з допомогою новітньої техніки (дифракції звороньорозсіяних електронів ДЗЕ/EBSD). Про світовий рівень свідчать визнання результатів роботи на міжнародних конференціях, зокрема у Росії та Франції та Німеччині.

Для підвищення конкурентоспроможності продукції необхідно надавати особливу увагу підвищенню її якості і зниженню витрат на виробництво. Процес виготовлення дроту дуже енергоємний і, отже, дорогий. Тому необхідно прагнути знизити енерговитрати при виробництві дроту.

Витрата енергії відбувається як при прокатці катанки і волочінні дроту, так і при проведенні її термічної обробки.

Виробництво катанки за стандартною технологією в умовах ВАТ «Міттал стіл Кривий Ріг» передбачає в процесі волочіння дроту проведення проміжного пом'якшувального відпалу на кроці 3,4 мм > 2,3 мм.

Відпал здійснюється у трубчастій печі протягом однієї години при температурі 600 0С. Розміри заготівки, з якої катається катанка 125 х 125 х 3000 мм. Маса бунту дроту, одержаного з однієї заготівки, – 350 кг.

Швидкість протягування бунту крізь піч – V – складає 35 126 м/год.

Споживана потужність печі – Р – складає 0.2  2 кВт/час.

Розрахунок довжини бунту дроту здійснюється по формулі (4.1):


Lб = , мм (4.1)
де mб – масса бунту дроту, кг;

d – діаметр дроту, м;

ρ – щільність сталі 08Г2С; ρ = 7850 кг/м3.
Для дроту діаметром 3,4 мм довжина бунту складе:
Lб = = 4914 м

Знаючи довжину одного бунту дроту, визначимо час його протягування крізь піч при відпалі по формулі (4.2):


τ = = = 39 годин, год (4.2)
З урахуванням того, що споживана потужність трубчастої печі для відпалу дроту – Рспож. = 2 кВт/час, а вартість 1 кВт електроенергії на підприємстві – С1 – складає 0,4 грн., визначимо витрату електроенергії і її вартість при відпалі одного бунту дроту діаметром 3,4 мм вагою 350 кг.

Витрату електроенергії при відпалі одного бунту дроту визначимо по формулі (4.3):


Р = Рспож. * τ = 2 * 39 = 78 кВт (4.3)
Вартість електроенергії, необхідної для відпалу одного бунту дроту вагою 350 кг розрахуємо по формулі (4.4):
Сб = С1 * Р = 0,4 *78 = 31,20 грн (4.4)

Таким чином, при виробництві катанки за стандартною технологією на проміжний відпал одного бунту дроту масою 350 кг необхідно витратити 78 кВт електроенергії, що при вартості 0,4 грн/кВт складає 31,20 грн.

Застосування виробництва катанки за новою технологією прокатки із зсувом дозволяє виключити проведення проміжного відпалу дроту. При цьому економія електроенергії на 350 кг дроту складатиме 31,20 грн.

Економічний ефект при річній виробничій програмі П = 100000 т розрахуємо по формулі (4.5):


ЕЕф = , грн. (4.5)

ЕЕф = = 89.143.000 грн.
Таким чином, застосування технології прокатки із зсувом при виробництві катанки дозволяє виключити проведення проміжного пом'якшувального відпалу дроту і при річній виробничій програмі 1мільйон т. тільки на електроенергії заощадити 89.14 мільйони грн. Збільшення річної виробничої програми дасть ще більший економічний ефект від застосування нової технології.

Наукова новизна роботи: Катанка, яка отримана за технологією ПЗ, в процесі волочіння показала високу технологічність і низьку обривність. Волочіння дроту здійснювалося з великими ступенями деформації без проміжної пом'якшувальної обробки, на відміну від катанки, отриманої за стандартною технологією.

Підтверджено, що використовування технології інтенсивної пластичної деформації із зсувом, на відміну від стандартної схеми термомеханічної обробки, дозволяє формувати дрібні рекристалізовані зерна з малою кількістю дислокацій в об'ємі зерна. При цьому показано ефективний вплив зсувної деформації на структуру маловуглецевої будівельної сталі. Крім подрібнення структури і розмиття текстури, горяче ІПД призводить до більш однорідної структури зі значною часткою висококутових границь зерен. Це пояснюється особливостями схеми деформації і розвитком активних релаксаційних процесів. Крім того, наявність зсувної деформації призводить до активного протікання процесів структуротворення, а інтенсивність деформації забезпечує значну фрагментацію структури. Сукупний вплив цих двох параметрів створює передумови формування мілкодисперсної структури з великокутовими межами зерен і незначною кількістю дислокацій в тілі зерна. Так, середній розмір зерна катанки, отриманної за стандартною технологією складає 11,6 мкм в подовжньому перетині і 10,5 мкм – в поперечному, а катанки, отриманної за технологією ПЗ - 7,0 мкм в подовжньому і 8,1 мкм в поперечному перетині. При цьому значення густини дроту, отриманого в результаті першого обтискання, незалежно від технології виготовлення катанки і її температури закінчення прокатки знаходиться приблизно на одному рівні і складає 7,74 – 7,75 гр/см3. Збільшення ступеня деформації призводить до зниження густини металу дроту отриманого за традиційною технологією та її підвищенню для дроту після прокатки зі зсувом. Значні одномоментні зсувні напруги дозволяють створити умови підвищеної рухливості дислокацій як при гарячій, так і при подальшій холодній деформації. Це створює можливості підвищення пластичності матеріалу без істотного зниження його міцностних характеристик.

Показано, що можливість проведення волочіння дроту до малого розміру без проміжного відпалу визначається особливостями структури, сформованої ПЗ. Вони успадковуються при подальшій деформаційній обробці і виявляються при формуванні структури. Показано, що у разі застосування прокатки із зсувом формування структури під час виготовлення дроту не носить однонаправленого характеру зменшення розміру зерна із збільшенням ступеня деформації. При збільшенні ступеня деформації спостерігаються періоди збільшення розміру зерна і коефіцієнта форми. В процесі подальшої деформації спостерігається формування більш рівноосних зерен більшого розміру в порівнянні з попереднім тактом деформації. Це дозволяє збільшити ресурс пластичності дроту.

Що стосується мікротвердості, то її значення в різних перетинах дроту отриманого з катанки, виготовленої за технологією ПЗ, досить значні, що пояснюється формуванням субструктури зерен. Такий дріт, має більш високі значення мікротвердості, які в середньому перевищують значення дроту виготовленого по традиційній технології на 300 – 400 Н/мм2.



Практична значимість роботи: В ДонФТІ НАН України розроблений новий метод інтенсивної пластичної деформації – прокатка зі зсувом (ПЗ). Цей метод базується на вдосконаленні прокатки сортового профілю, а саме до очагу деформації додається зсув. Даний метод призначено для отримання сортового прокату з високим рівнем міцності та пластичності одночасно. В роботі показано, що прокатка зі зсувом застосована для маловуглецевих сталей дозволяє отримати ізотропну дрібнодисперсну структуру з високо кутовими границями зерен та малою щільністю дислокацій у тілі зерна. Це дає змогу проводити подальшу деформаційну обробку методом волочіння без проміжних відпалів. Так з застосування холодного волочіння до металу отриманого прокаткою зі зсувом дозволяє отримувати кінцевий продукт у вигляді дроту малого діаметру з контрольованою часткою наноструктури підвищеної якості з меншими енергозатратами. Таким чином дана технологія є ресурсозберігаючою та такою що має економічну цінність.

Отримані результати по впливу схеми гарячої прокатки на процес подальшого холодного волочіння катанки до дроту малого діаметра дозволяють отримати дані по можливостях управління рівнем механічних властивостей дроту та його стуктурою варіюванням термодеформаційних режимів.

Данні результати не мають аналогів в Україні та світі завдяки наступним досягненням:

- Застосування технології прокатки із зсувом при виробництві катанки дозволяє виключити проведення проміжного пом'якшувального відпалу дроту і при річній виробничій програмі 100000 т тільки на електроенергії заощадити 8.914 тис. грн.



- Значний економічний ефект такої обробки робить перспективним подальший розвиток досліджень в цьому напрямі з метою оптимізації режимів деформації при прокатці із зсувом і волочінні. А застосування дроту, отриманого з катанки, яка виготовлена за технологією ПЗ, знижує небезпеку її руйнування в процесі експлуатації, оскільки має на 20% більшу міцність з достатньо великим ресурсом пластичності.
Загальна кількість публікацій в яких відображена робота: 29, з них 11 статей в реферованих журналах, 1 монографія, 1 звіт з НДР.


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка