Оценка комплексной методики расчета и прогнозирования свойств цинкового покрытия проволоки

Список литературы

1. Рубин Г.Ш., Гун Г.С. Логические законы оценки качества продукции. Магнитогорск, 1981. 23 с. Деп. в ВИНИТИ 19.09.1981, № 4105-81 В.

2. Рубин Г.Ш. Функционально-целевой анализ качества изделий // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. № 2 (34). С. 29-30.

3. Рубин Г.Ш. Квалиметрия метизного производства: Монография. - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2012. 167 с.

References

1. Rubin G.Sh., Gun.G.S. Logicheskie zakony ocenki kachestva produkcii [Objective laws of product quality assessment]. Magnitogorsk: 1981. Dep. VINITI 19.09.1981, no. 4105-81 V. 23 p.

2. Rubin G.Sh. Function and objective analysis of the product quality. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2011, no. 2 (34), pp. 29-30.

3. Rubin G.Sh. Kvalimetrija metiznogo proizvodstva: Monografija [Qualimetry of hardware manufacture: monograph]. Magnitogorsk: NMSTU, 2012, 167 p.

УДК 621.793.5 Мезин И.Ю., Зотов СВ.

ОЦЕНКА КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ЦИНКОВОГО ПОКРЫТИЯ ПРОВОЛОКИ

Аннотация. Дано описание разработанной методики прогнозирования качества покрытия оцинкованной проволоки. На основании геометрии конструктивных фракталов произведено математическое моделирование процесса формирования структуры цинкового покрытия. Установлены зависимости толщины железоцин-ковых фаз покрытия от времени погружения проволоки в расплав, позволяющие прогнозировать свойства покрытия. Данная методика позволяет устанавливать рациональную скорость движения проволоки в агрегате горячего цинкования и получать покрытия требуемого уровня качества

Ключевые слова: методика прогнозирования, цинковое покрытие, механизм формирования покрытия, железоцинковые фазы

В рамках выполненных исследований по повышению уровня качества оцинкованной проволоки была разработана комплексная методика расчета и прогнозирования свойств цинкового покрытия. В основе данной методики лежат статистические модели, теории конструктивных фракталов, а также теории нестационарной теплопроводности [1]. Для исследования влияния технологических факторов на показатель качества оцинкованной проволоки использовались данные, собранные на агрегате горячего цинкования «ISE» ОАО «ММК-МЕТИЗ». Исследовались такие факторы, как диаметр проволоки, скорость прохождения в агрегате, масса цинкового покрытия, содержание углерода, марганца и кремния в стальной заготовке [2].

При помощи разработанных моделей формирования структуры покрытия, а также нагрева стальной проволоки в расплавленном цинке, основанной на теории нестационарной теплопроводности, были найдены рациональные значения скорости движения в агрегате горячего цинкования для всего ряда диаметров заготовки [3]. Время нахождения проволоки в ванне с расплавом должно быть достаточным для необходимого нагрева заготовки, протекания процесса диффузии и образования требуемых железоцинковых фаз. С другой стороны скорость не должна быть слишком высокой, чтобы исключить недогрев, вибрацию проволоки и появление наплывов покрытия. На основе теории фракталов было рассчитано необходимое для образо-

вания качественного покрытия время погружения проволоки в расплав [4]. При помощи теории нестационарной теплопроводности с учетом времени нагрева заготовки до требуемой температуры произведен расчет рациональной скорости движения проволоки для агрегата горячего цинкования «КБ» ОАО «ММК-МЕТИЗ».

В табл. 1 представлены данные о существующей и рекомендуемой скорости движения проволоки для всего ряда диа-

Рекомендуемая скорость

метров. Предложенный диапазон режимов работы агрегата отличается от ранее установленных в среднем на 9,6 % в сторону снижения. В результате исследований было подтверждено, что данный диапазон скоростей способствует более эффективному прогреву заготовки до заданной температуры и обеспечивает требуемое соотношение фаз цинкового покрытия. Графически диапазоны режимов работы агрегатов представлены на рис. 1.

Таблица 1

жения проволоки в агрегате

Режимы работы агрегата

Диаметр проволоки, мм Существующая скорость движения, м/мин Рекомендуемая скорость движения, м/мин Изменение, %

1,6 80,0 72,7 9,13

2,0 60,0 50,7 15,50

2,5 48,0 44,6 7,08

3,0 40,0 35,4 11,50

3,5 34,3 30,4 11,37

4,0 30,0 27,9 7,00

4,5 26,7 24,5 8,24

5,0 24,0 22,3 7,08

к

к

<и

и <и

U eö

«

К К

<и

*

К

и

«

Л

н о о

О И

О

90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0

1,6 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Диаметр проволоки, мм

Установленная скорость

Рекомендуемая скорость

Рис. 1. Существующий и предложенный режимы работы агрегата «ICE» для всего

ряда диаметров стальной проволоки

Итоги эксперимента оценивались при помощи металлографического анализа образцов оцинкованной проволоки [5].

Задачей металлографического исследования является установление взаимосвязей между качественными и количественными характеристиками структуры цинкового покрытия. Состав расплава, стальная основа, условия нанесения покрытия, а также режимы цинкования изменяют свойство материала. Эти изменения отражаются, прежде всего, на структуре и, следовательно, могут наблюдаться с помощью электронного микроскопа и быть оценены количественно.

Металлографические исследования проводились по стандартной методике [6] при помощи растрового электронного микроскопа JEOL JSM-6490LV , который имеет разрешение до 3,0 нм (при ускоряющем напряжении до 30 кВ) и позволяет проводить анализ микроструктуры различных материалов неорганического происхождения, а также топографический и качественный фазовый анализ поверхности.

В результате анализа были получены снимки цинкового покрытия и проведено определение железоцинковых фаз (рис. 2 -5). На рис. 2 и 3 представлены примеры некачественного цинкового покрытия. Исследования проводились для проволок диаметром 2,7 и 3,0 мм, поскольку для них были получены наиболее четкие снимки железоцинковых фаз.

На рис. 2 необходимо обратить внимание на то, что сильно развита хрупкая столбчатая фаза £ Ее толщина составляет 7,12 мкм. Это означает, что покрытие обладает слабой адгезией к основному металлу и при эксплуатации оно начнет отслаиваться. Наиболее пластичная 5-фаза имеет толщину максимум 2,2 мкм, которая очень мала для качественного покрытия.

Фаза у в покрытии практически не наблюдается, но имеется отдельный наплыв, толщиной 1,01 мкм. Тот факт, что эта фаза является очень твердой и наиболее хрупкой свидетельствует, о том, что именно в этом месте произойдет разрушение покрытия при изгибе. Следует отметить, что на представленных образцах присутствует значительная неравномерность покрытия по длине и по диаметру проволоки. Имеются наплывы покрытия. Толщина фазы чистого цинка варьируется от 1,95 мкм до 7,10 мкм.

Отличительной особенностью является более развитая фаза чистого цинка. Однако, его сцепление с основой не является удовлетворительным [7].

Анализ режимов нанесения покрытия, близких к рекомендуемым, показал, что структура железоцинковых фаз изменилась. Значение пластичной фазы 8 на проволоке, диаметром 2,7 мкм увеличилось до 5,33 мкм. Толщина хрупкой фазы ^ уменьшилась до значения 6,4 мкм (рис. 4). Также был сделан снимок покрытия проволоки диаметром 2,4 мм (рис. 5). В покрытии толщина фазы 5 составляет в среднем 5 мкм. Что примерно соответствует толщине хрупкой фазы £ Фаза Ц, содержащая чистый цинк, имеет равную толщину по всему диаметру проволоки. Отсутствуют наплывы покрытия. По ГОСТ-1668-73 цинковое покрытие не должно растрескиваться и отслаиваться при спиральной навивке проволоки шестью плотными витками на цилиндрическую оправку диаметром, равным пятикратному диаметру проволоки. Это испытание исследуемые образцы выдерживают. Аналогичная ситуация с покрытием на проволоке диаметром 3,0 мм (рис. 3).

Рис. 2 Структура цинкового покрытия неудовлетворительного качества

проволоки диаметром 2,7 мм

Рис. 3 Структура цинкового покрытия неудовлетворительного качества

проволоки диаметром 3,0 мм

Рис. 4. Структура качественного покрытия проволоки диаметром 2,7 мм

Рис. 5. Структура качественного покрытия проволоки диаметром 2,4 мм

Анализ структуры железоцинковых фаз и требований к оцинкованной проволоке показал, что образцы проволоки изготовленной на рекомендуемых режимах работы агрегата и с использованием предло-

женной стальной заготовки обладают цинковым покрытием высокого качества. Покрытие получается равномерным по диаметру и всей длине проволоки. Предельные отклонения по диаметру соответству-

ют требованиям ГОСТ 3282 [6]. Значение плотности цинкового покрытия проволоки, диаметром от 1,6 до 5,0 мм установилось в пределах 95-120 г/м , что отвечает требованиям ГОСТ 3282 к оцинкованной проволоке высшего класса и значительно повышает коррозионную стойкость изделия.

Таким образом, реализация разработанной методики прогнозирования качества покрытий позволяет организовать технологический процесс, обеспечивающий требуемый уровень потребительских свойств оцинкованной проволоки. В результате возрастает качество готовой продукции, снижается вероятность появления дефектов, связанных с недостаточным сцеплением покрытия с основой и достигается требуемая толщина покрытия. Решение существующих проблем в конечном счете благоприятно отражается на затратах, связанных с появлением бракованной продукции и повышает доверие потребителей.

Список литературы

1. Бузунов Е.Г., Рубин Г.Ш., Мезин И.Ю. Описание процесса диффузии цинковых покрытий стальной проволоки на основе теории конструктивных фракталов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2010. № 1. С. 66-67.

2. Квалиметрическая оценка производственных процессов изготовления / Яковлева Е.С., Мезин И.Ю., Касаткина Е.Г., Куцепендик В.И. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2010. № 2. С. 67-68.

3. Бузунов Е.Г., Мезин И.Ю., Зотов С.В. Методика прогнозирования качества покрытия оцинкованной проволоки // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2011. № 14 (231). С. 71-77.

4. Кроновер Р. Фракталы и хаос в динамических системах. М.: Техносфера, 2006. 488с.

5. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ: учеб. пособие для вузов. 3-е изд. доп. и перераб. М.: МИСИС, 1994. 328 с.

6. ГОСТ 3282-74. Проволока стальная низкоуглеродистая общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1974.

7. Анализ условий нанесения цинковых покрытий на проволоку в агрегатах FIB и ICE / А.Д. Носов, И.Ю. Мезин, СВ. Зотов и др. // Фазовые и структурные превращения в сталях: сб. науч. тр. / под ред. В.Н. Урцева. Магнитогорск, 2008. Вып. 5. С. 502-507.

References

1. Buzunov E.G., Rubin G.Sh. , Mezin I.Ju. Diffusion of galvanizing coatings of steel wire based on the functional fractals theory. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2010, no. 1, pp. 66-67.

2. Jakovleva E.S., Mezin I.Ju., Kasatkina E.G., Kucependik V.I. Qualimetric assessment of production processes. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2010, no. 2, pp. 67-68.

3. Buzunov E.G., Mezin I.Ju., Zotov S.V. Method of coating quality forecast for galvanized wire. Vestnik Juzhno-Uralskogo gosudarstvennogo universiteta [Vestnik of the South Ural State University]. 2011, no. 14 (231), pp. 71-77.

4. Kronover R. Fraktaly i haos v dinamicheskih sistemah. [Fractals and chaos in dynamic sys-tems].Moscow: Technosphere, 2006, 488p.

5. Gorelik S.S., Skakov Ju.A., Rastorguev L.N. Rentgenograficheskij i jelektronno-opticheskij analiz [Radiographic and optoelectronic analysis]. Textbook. Manual for schools. - 3rd ed. ext. and rev. Moscow: MISIS, 1994, 328 p.

6. GOST 3282-74. Provoloka stal'naja nizkouglero-distaja obshhego naznachenija [State Standard 3282-74. Low carbon steel general-purpose wire]. Moscow:Publisher standards, 1974.

7. Nosov A.D., Mezin I.Ju., Zotov S.V. i dr. Analysis of wire galvanizing process in FIB and ICE units. Phase and structural transformations in steels. Fazovye i strukturnye prevrashhenija v staljah: sb. nauch. tr. /pod red. V.N. Urceva [Phase and structural transformations in steels: sat scientific. tr]. Ed. V.N. Urtseva. Magnitogorsk, 2008, no.5, pp.502-507.