Исследование структурно-механической неоднородности биметаллической проволоки

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 778:669−4
Ю. П. Трыков*- д-р техн. наук, Л. М. Гуревич*- канд. техн. наук, В. Ф. Даненко*- канд. техн. наук,
С. А. Булаева* - асп., М. Н. Журавлев*- студ., В. И. Фролов **- инж.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРОВОЛОКИ
«Волгоградский государственный технический университет (e-mail: mv@vstu. ru),
**Волгоградский завод ОАО & quot-Северсталь-Метиз"-
Показано значительное снижение после патентирования заготовки градиента прочностных свойств в переходной зоне биметалла по сравнению с горячей прокаткой, что повышает технологичность биметаллической катанки при последующем холодном волочении. Граница соединения слоев биметалла имеет сложный контур, обусловленный неравномерностью деформации при прокатке, форма которого сохраняется практически неизменной по длине биметаллической проволоки.
Considerable decrease after patenting of preparation of a gradient strength in a transitive zone of bimetal in comparison with hot rolling is shown, that raises adaptability to manufacture bimetallic rolls at the subsequent cold drawing. The border of connection of layers of bimetal has the difficult contour caused by non-uniformity of deformation at a proskating rink which form remains practically invariable on length of a bimetallic wire.
Ключевые слова: биметаллическая проволока, патентирование, граница соединения, покрытие, микротвердость.
Биметаллическая коррозионностойкая про- ли обладает высокими служебными свойства-
волока с основным слоем из углеродистой ста- ми, изготовляется из катанки и применяется
ли и плакирующим слоем из нержавеющей ста- для производства высоконагруженных в сило-
вом отношении канатов, пружин и других изделий и материалов.
Биметаллическую катанку углеродистая сталь + 12Х18Н10Т изготовляли на Волгоградском металлургическом заводе & quot-Красный Октябрь& quot-. Исходной заготовкой для получения катанки служили трубы из стали 12Х18Н10Т с наружным диаметром 102 мм и толщиной стенки 6 мм и стержни диаметром 89 мм из углеродистых сталей марок 45 и 80.
Катанку получали совместной горячей прокаткой, аналогичной пакетной сварке, по следующей технологии: исходная сборная заготовка прокатывалась на среднесортном стане 450−2 на квадрат 50×50 мм, затем раскат разрезался на заготовки длиной 2700 мм и вновь прокатывался на проволочном стане 260 на круг диаметром 6,5 мм. Катанка предназначалась для дальнейшего передела на проволоку, которую получали волочением на Волгоградском сталепроволочно-канатном заводе (ныне Волгоградский завод ОАО & quot-Северсталь-
Метиз& quot-).
Прокатка на стане 450−2 велась в семь проходов по существующей калибровке ромб-квадрат, преимуществом которой является менее интенсивное остывание при прокатке углов полосы и всего сечения в целом. На проволочном стане 260 прокатка проводилась в семнадцать проходов по существующей калибровке валков овал-квадрат, включающей обжимную, черновую, две промежуточных и чистовую группы. Преимуществом этой системы калибров является то, что она позволяла проводить прокатку с большими коэффициентами вытяжки и, следовательно, сохранять надлежащую температуру прокатываемого металла. Кроме того, в процессе прокатки достигалось постоянное обновление ребер полосы, что обеспечивало более равномерное распределение температуры по поперечному сечению и способствовало получению более однородной структуры металла.
Технология производства проволоки включала калибровку катанки на диаметр 6,0 мм для устранения овальности горячекатаной заготовки, патентирование калиброванной заготовки, подготовку поверхности и волочение. Подготовка поверхности проволоки к волочению и последующее волочение проводилось по обычной для нержавеющей проволоки технологии. В качестве смазки использовалась смесь порошков мыла и серы. Для волочения биметаллической проволоки применялись волоки с уменьшенными углами конусности рабочей зоны и плавными переходами от одной зоны к
другой. Канал волоки подвергался предварительной полировке.
Перед прокаткой биметаллические заготовки нагревали в методической печи до 1100- 1150 °C. При пакетной сварке проводится [1] предварительное вакуумирование пакета или заполнение его полостей инертным газом. Опыты показали, что применение трубных заготовок и высоких степеней обжатия при непрерывной горячей прокатке позволяет получить качественный биметаллический прокат и без предварительного вакуумирования. В процессе прокатки биметаллической заготовки с увеличением поверхности контакта окисная пленка на свариваемых поверхностях разрушается и не препятствует получению прочного соединения.
Успешная прокатка круга диаметром 6,5 мм возможна при условии прочного соединения слоев заготовки сечением 5050 мм. Вследствие неустановившегося процесса прокатки схватывание слоев переднего и заднего концов раската оказывается неудовлетворительным, поэтому их необходимо удалять. С целью установления необходимой длины отрезаемых частей раската было изучено влияние неустано-вившегося процесса прокатки на схватывание слоев биметалла сталь 45+12Х18Н10Т с объемной долей плакирующего слоя 22%.
Прочность соединения слоев оценивалась сопротивлением срезу по границе раздела сердечника и плакирующего слоя. Испытания на срез проводили на машине МУП-20 в специальном приспособлении. Темплеты для испытания на срез вырезали из переднего и заднего концов раската с интервалом 150 мм. Для обеспечения параллельности торцов все темплеты шлифовали с двух сторон на плоскошлифовальном станке. Выполнение прорезей на боковых поверхностях темплетов позволило на каждом из них проводить по 8 испытаний на срез. Для выявления границы раздела слоев один из торцов темплета протравливали 4%-ным раствором НК03. Темплеты устанавливали в приспособление так, чтобы срез происходил по границе раздела слоев
Средние значения и среднеквадратические отклонения напряжений среза для различных поперечных сечений по длине раската приведены в таблице. Результаты определения напряжений среза для компонентов биметалла показали следующее: для стали 12Х18Н10Т тср = = 451 МПа, для стали 45 тср = 489 МПа (среднее значение из 15 испытаний).
Из таблицы видно, что неустановившийся процесс прокатки оказывает значительное влияние на прочность соединения слоев биме-
Средние значения и среднеквадратические отклонения напряжений среза для поперечных сечений по длине раската
Расстояние от концов раската, мм Передние концы Задние концы
тср, МПа 5, МПа тср, МПа 5, МПа
450 354 51,2 335 52,7
300 331 55,1 302 91,6
150 153 168,8 254 116
талла на концевых участках раската протяженностью около 150 мм. Это наиболее заметно у переднего конца раската, где происходит захват заготовки с ударом. По мере удаления от концов раската значения сопротивления срезу по границе раздела слоев увеличиваются. Снижается и разброс тср, характеризуемый среднеквадратическим отклонением относительно средних значений.
Прочность соединения слоев биметаллических листов для стали 12Х18Н10Т лежит в пределах 220−600 МПа [2]. Результаты испытаний согласуются с этими данными. Удаление переднего и заднего концов на длине 400 мм гарантирует получение биметаллической заготовки требуемого качества. Во всех случаях за счет высокой прочности соединения слоев наблюдалось их совместное деформирование вплоть до момента разрушения.
При производстве биметаллов углеродистая сталь + сталь 12Х18Н10Т на границе раздела слоев наблюдаются диффузионные процессы, определяющие структуру переходной зоны [2]. При нагреве углерод диффундирует из углеродистой стали в плакирующий слой стали 12Х18Н10Т, упрочняя его в тонкой приграничной зоне. Вследствие обеднения углеродом прочность тонкого приграничного слоя углеродистой стали снижается. Максимальная твердость переходной зоны со стороны стали 12Х18Н10Т практически одинакова в случае сердечника из сталей 45 и У8, то есть не зависит от содержания углерода в металле сердечника [3]. В процессе прокатки твердость этой зоны практически не повышается, увеличивается лишь ее относительная ширина. Следует отметить неравномерность диффузии углерода по периметру граничного слоя, связанную с неравномерным обжатием при прокатке.
Прочностные свойства микрообъемов переходной зоны можно охарактеризовать значениями микротвердости. На рис. 1 (кривая 1) по-

/
* 4, и 3,0-
'-¦*'-2 1 ¦
2,0- У
0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6
Расстояние от границы, мм
Рис. 1. Распределение микротвердости в переходной зоне биметалла сталь 45+12Х18Н10Т:
1 — после прокатки (ц = 3,3) — 2 — после патентирования
казано распределение микротвердости в переходной зоне биметалла после прокатки на квадрат 50*50 (вытяжка ц = 3,3). Градиент прочностных свойств, определяемый соотношением значений микротвердости приграничных слоев [4], приводит к неоднородности развития микропластической деформации в переходной зоне биметалла как при комнатной [5], так и при повышенной [6] температурах. Высокий уровень неоднородности деформации увеличивает вероятность возникновения очагов разрушения в переходной зоне в процессе пластической деформации. Биметаллическая катанка должна обладать пластичностью, достаточной для дальнейшего холодного волочения. Пластичность биметаллической катанки существенно повышается патентированием. Кривая 2 показывает значительное снижение твердости приграничной зоны стали 12Х18Н10Т без увеличения ее ширины. Градиент прочностных свойств в переходной зоне снижается при этом примерно в два раза по сравнению с состоянием биметалла после горячей прокатки.
Исследование микроструктуры биметаллической проволоки диаметром 6 мм, полученной по описанной выше технологии, показало, что микроструктура сердечника из углеродистой стали неоднородна по сечению. Структура сердцевины, образовавшаяся в процессе патен-тирования, содержит квазиэвтектоид сорбитно-го типа с вытянутыми игольчатыми включениями видманштеттового феррита (рис. 2, а). Образование видманштеттового феррита связано с перегревом стали перед горячей обработкой давлением. Проведенное патентирование не позволило полностью устранить последствия перегрева. На границе соединения выявля-
Рис. 2. Структура сердечника из углеродистой стали 45 в биметаллической проволоке после патентирования и волочения
(х500): а — сердцевина, б — приграничный слой
ется структурно-механическая неоднородность, вызванная диффузионными процессами на различных переделах технологического процесса получения биметаллической проволоки, определяющих структуру переходной зоны. При нагревах под прокатку и волочение углерод вследствие различий в химических потенциалах диффундирует из стали 45 к границе соединения и выделяется в виде тонкой прослойки карбидов титана и хрома (рис. 2, б), слабо выявляющейся на фоне эвтектоида. Вследствие обеднения углеродом у границы с коррозионностойкой сталью возникает ферритная полоса с пониженной прочностью.
Неравновесность структуры углеродистой стали не позволяла точно оценить распределение углерода по мере удаления от границы соединения, поэтому использовались следующие способы:
— метод МТ (ГОСТ 1763−68 & quot-Сталь. Методы определения глубины обезуглероженного слоя& quot-) замера микротвердости по поперечному сечению закаленного образца. За глубину обез-углероженного слоя принимали расстояние от границы соединения до точки, в которой получена стабильная микротвердость. В связи с относительно низкой температурой нагрева под закалку (830−850 °С), уменьшающей миграцию углерода, вблизи границы соединения сохранилась сплошная полоса феррита толщиной около 60 мкм и отдельные ферритные зерна, на фоне которых хорошо выявляется тонкая сплошная полоса карбидов. Микроструктура после закалки показана на рис. 3, а. Толщина обезуглеро-женной зоны, полученная по методу МТ, составила 110−120 мкм-
— исследование изменения соотношения феррита и перлита в структуре образца прово-
б
а
Рис. 3. Микроструктура приграничной области в биметаллической проволоке после термической обработки (*500):
а — закалка, б — изотермический отжиг
а б
Рис. 4. Форма контура границ раздела слоев по длине биметаллической проволоки (расстояние между сечениями, а и б — 100 мм)
локи, подвергнутого изотермическому отжигу (рис. 3, б), которое позволяет выявить зоны полной и частичной обезуглероженности. Толщина зоны полной обезуглероженности составила 120 мкм, зона частичной обезуглерожен-ности практически не выявлялась. Толщина полосы обезуглероженной зоны практически не зависела от радиуса кривизны границы соединения, то есть от неравномерности обжатия при прокатке.
Для биметаллической проволоки сталь 45+12Х18Н10Т характерно формирование развитой геометрически неоднородной границы соединения разнородных сталей. Толщина плакирующего нержавеющего слоя в поперечном сечении относительно оси симметрии неравномерна, граница соединения стали сплошная, без разрывов (рис. 4). Формирование сложного
контура границы раздела слоев обусловлено неравномерностью деформации, являющейся одной из особенностей процесса прокатки, а также переполнением калибров на начальной стадии прокатки из-за несоответствия размеров поперечного сечения исходной сборной заготовки существующей калибровке валков ромб-квадрат. Как показали исследования, контур границы раздела формируется на этой стадии производства и в дальнейшем не изменяется.
Для количественной оценки степени геометрической неоднородности поперечного сечения проволоки была построена развертка границы раздела сталей, представленная на рис. 5. Ее анализ показал, что максимальная толщина плакирующего слоя стали 12Х18Н10Т составляет 1,43 мм, а минимальная — 0,21 мм.
=
С
а
Угол поворота радиуса, градус
Рис. 5. Развертка границы раздела слоев биметаллической проволоки
Теоретически рассчитанный радиус плакирования составляет 2456 мкм. Поэтому, при равномерном распределении стали 12Х18Н10Т ее расчетная толщина должна бы составлять 544 мкм. Средняя толщина плакирующего слоя реальной проволоки равна 505 мкм, а общая длина границы раздела сталей — 19,28 мм, что на 25% больше теоретической длины, равной 15,42 мм.
Как видно из рис. 4, по длине биметаллической проволоки форма контура сохраняется практически неизменной, а незначительные ее отклонения в отдельных поперечных сечениях на исследованной длине в 100 мм объясняются, видимо, погрешностями компьютерной обработки. Последующее контрольное определение формы контура границы раздела слоев на длине до 400 мм подтвердило ее неизменный характер.
Выводы
1. Технология производства биметаллической проволоки углеродистая сталь +12Х18Н10Т обеспечивает высокую прочность соединения слоев. Градиент прочностных свойств в переходной зоне биметалла после горячей прокатки, определяемый соотношением значений микротвердости приграничных слоев, значительно снижается после патентирования заготовки, что повышает технологичность биметаллической катанки при последующем холодном волочении.
2. Граница соединения слоев биметалла имеет сложный контур, что обусловлено неравномерностью деформации при прокатке. Форма контура сохраняется практически неизменной по длине биметаллической проволоки. Минимальная толщина плакирующего слоя из стали 12Х18Н10Т достаточна для обеспечения служебных свойств биметаллической проволоки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Корнеев, В. К. Основы технологии производства многослойных металлов / В. К. Корнеев, М. С. Гиндель-горн. — М.: Металлургия, 1970.
2. Меандров, Л. В. Двухслойные коррозионностойкие стали за рубежом / Л. В. Меандров. — М.: Металлургия, 1970. — 232 с.
3. Гурьев, А. В. Биметаллическая катанка для производства коррозионностойкой проволоки / А. В. Гурьев, Я. А. Гохберг, Х. С. Шахпазов, А. С. Ширванян // Сталь. -1972. — № 7. — С. 661−662.
4. Даненко, В. Ф. Плакирование как метод повышения механических и служебных свойств проволоки / В. Ф. Да-ненко, Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, Д. Н. Гурулев, В. И. Фролов, С. А. Булаева, М. Н. Журавлев // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. научн. ст. № 3 (29) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2007. — С. 138−142. (Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении).
5. Гохберг, Я. А. К вопросу о механизме совместной микронеоднородной деформации разнородных материалов / Я. А. Гохберг, А. В. Гурьев, В. Н. Поляков // Металловедение и прочность материалов: тр. Волгоград. политехи. ин-та. — Волгоград, 1968. — С. 45−55.
6. Трыков, Ю. П. О роли переходных зон в процессах совместной пластической деформации и разрушения слоистых композиций / Ю. П. Трыков, В. Ф. Даненко // Слоистые композиционные материалы-98: сб. трудов конф. / ВолгГТУ. — Волгоград, 1998. — С. 182−184.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой