Особенности формирования структуры и свойств горячепрессованных прутков, получаемых из сыпучей стружки свинцовой латуни

alov. Struktura i iznosostoykost' instrumentov [Metal science, physics and mechanics applied to the process of machining of graphitized materials]. Magnitogorsk: Magnitogorsk state technical university named after G.I. Nosov, 2002. 200 p.

3. Tsypin I.I. Belye iznosostoykie chuguny: struktura i svoystva [Wear-resistant white cast irons: structure and properties]. Moscow: Metallurgiya, 1983. 176 p.

4. Zhukov A.A., Sil'man G.I., Frol'tsov M.S. Iznosostoykie otlivki iz kom-pleksno-legirovannykh belykh chugunov [Wear-resistant castings from complex alloyed white cast irons]. Moscow: Mashinostroenie, 1984. 104 p.

5. Emelyushin A.N. Razrabotka novogo klassa ledeburitnykh splavov dlya instrumentov, obrabatyvayushchikh nemetallicheskie materialy v uslovi-vakh umerennogo nagreva rezhushchey kromki. Extented abstract of PhD dissertation. [Development of a new class of ledeburite alloys for tools for machining of non-metallic materials under the condition of moderate heating of cutting edge]. Chelyabinsk, 2000. 44 p.

6. Koryagina T.I., Ibragimov Kh.M. Vliyanie rezhimov termicheskoy obrabotki na tverdost' i iznosostoykost' khromovanadievykh chugunov [Effect of heat treatment on hardness and wear resistance of chromium-vanadium cast irons]. Voprosy proizvodstva i obrabotki stali [Problems of production and treatment of steel]. Chelyabinsk: ChPI, 1983. pp. 91-95.

7. Maratray F., Poulalion A., Fillit R., Bruyas H. The role of vanadium in high chromium white irons. Bulletin du cercle d'études des métaux. 1983, vol.15, no.4, pp. 17-34.

8. Kolokol'tsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkov P.A. Struktura i iznosostoykost' khromovanadievykh chugunov [Structure and wear resistance of chromium-vanadium cast irons]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya [Proceedings of higher education institutes. Ferrous metallurgy]. 2004. no.7. pp. 25-28.

9. Petrochenko E.V., Valishina T.S. Vliyanie khimicheskogo sostava, usloviy kristallizatsii i rezhimov termicheskoy obrabotki na osobennosti mikrostruktury, mekhanicheskie i spetsial'nye svoystva belykh khromovanadievykh chugunov. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya [Proceedings of higher education institutes. Ferrous metallurgy]. 2009. no.2. pp. 39-42.

10. Sil'man G.I., Frol'tsov M.S., Zhukov A.A., Prudnikov A.N. Osobennosti mikrostruktury i raspredelenia elementov v kompleksno-legirovannykh belykh chugunakh. [Characteristics of the microstructure and distribution of elements in complex-alloy white cast irons]. Metallovedenie i termicheska-ja obrabotka metallov. [Metal Science and Heat Treatment]. 1981, vol. 23, no 1, pp. 64-68.

11. Okishev K.Yu., Sozykina A.S. Izmenenie struktury i tverdosti vysokokhromistykh staley i chugunov s temperaturoy nagreva pod zakalku [Structure and hardness changes with hardening temperature in high-chromium steels and cast irons]. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudar-stvennogo universiteta. Seriya "Metallurgiya" [Bulletin of South Ural State University. Ser. "Metallurgy”], 2011, no.14, issue 16, pp. 67-70.

12. Lee B.-J. On the stability of Cr carbides. CALPHAD, 1992, vol.16, no.2, pp. 121-149.

13. Popov V.V. Modelirovanie prevrashcheniy karbonitridov pri termicheskoy obrabotke staley [Modelling of carbonitride transformations in heat treatment of steels]. Ekaterinburg: UrO RAN, 2003, 380 p.

14. Mirzayev D.A., Steynberg M.M., Ponomareva T.N., Schastlivtsev V.M. Vlijanie skorosti ohlazhdenija na polozhenie martensitnyh tochek. Uglero-distye stali. [Influence of cooling rate on the position of martensitic transformation points. carbon steels]. Fizika metallov i metallovedenie. [Physics of Metals and Metallography], 1979, vol. 47, no.1, pp. 102-111.

15. Mirzayev D.A., Karzunov S.Ye., Schastlivtsev V.M., Yakovleva I.L., Kharitonova Ye.V. [Gamma^alpha transformation in low-carbon Fe-Cr alloys]. Fizika metallov i metallovedenie. [Physics of Metals and Metallography], 1986, vol. 61, no.2, pp. 114-122.

16. Mirzayev D.A., Karzunov S.Ye., Schastlivtsev V.M., Yakovleva I.L., Kharitonova Ye.V. [Peculiarities of martensite and bainite transformations in chromium steels]. Fizika metallov i metallovedenie. [Physics of Metals and Metallography], 1986, vol.62, no.2, pp. 100-109.

17. Schastlivtsev V.M., Mirzayev D.A., Yakovleva I.L. Struktura termicheski obrabotannoy stali [Structure of heat treated steel]. Moscow: Metallurgiya, 1994, 288 p.

УДК 621.778

Загиров H.H., Иванов Е.В., Ковалева A.A., Аникина В.И.

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ и свойств ГОРЯЧЕПРЕССОВАННЫХ ПРУТКОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ИЗ СЫПУЧЕЙ СТРУЖКИ СВИНЦОВОЙ ЛАТУНИ

Аннотация. Рассмотрена схема изготовления горячепрессованных прутков из стружковых отходов свинцовой латуни, не предусматривающая в технологической цепочке плавильный передел. Изучено влияние на структуру и свойства получаемых горячей экструзией прутков типа используемой стружки, формы поперечного сечения пресс-изделия, коэффициента вытяжки.

Ключевые слова: сортная сыпучая стружка, свинцовая латунь, технологическая схема, пруток, брикетирование, горячая экструзия, структура, твердость.

При производстве полуфабрикатов и изделий из цветных металлов и сплавов, в том числе и свинцовых латуней, всегда актуальным остается вопрос вовлечения в производственный оборот образующихся на том или ином этапе их изготовления отходов в виде сыпучей стружки и опилок. Чем мельче стружка, тем технически труднее, энергетически затратнее и, как следствие этого, экономически невыгоднее перерабатывать ее через применяемый в настоящее время плавильный передел. Это обусловлено рядом причин, одна из которых связана с тем, что при загрузке такого рода отходов в плавильную ванну в свободнозасы-панном виде часть металла просто сгорает, часть переходит в шлак, в результате чего выход годного будет относительно невысоким.

Альтернативой традиционному способу переработки сортных сыпучих стружковых отходов может служить подход, основанный на комбинировании приемов порошковой металлургии и традиционных про-

цессов обработки давлением. При реализации его, естественно, должны обязательно учитываться два аспекта. Первый из них связан с удовлетворением каче -ственных характеристик получаемых из стружки изделий требованиям потенциальных потребителей про -дукции, основанных на соблюдении соответствующих технических условий или других регламентирующих документов. Другой заключается в снижении трудоемкости изготовления изделий из стружки за счет перехода от традиционного способа ее переработки к предлагаемому, и как следствие этого, уменьшении себестоимости и цены произведенной продукции.

В работе анализируется только первый из упомянутых выше аспектов, для рассмотрения которого была выбрана сортная сыпучая стружка свинцовой латуни ЛС59-1 разных типов, образование каждого из которых происходило на определенном этапе осуществления производственного процесса изготовления проволоки из литой заготовки в ООО «Туимский

завод ОЦМ». Известно [1], что свинец, вводимый в состав сплавов цветных металлов для улучшения их обрабатываемости резанием, способствует образованию гетерогенной структуры, в которой прослойки второй фазы имеют резко отличные свойства от матрицы. Это позволяет получать при резании достаточно мелкую сыпучую стружку. Учитывая, что сбор стружки был организован достаточно четко, а при обработке резанием какие-то специальные смазыва-юще-охлаждающие жидкости не использовались, предварительная обработка стружки, заключающаяся в проведении различного рода трудоемких операций, типа сортировки, сепарации, измельчения, промывки и др., в работе не проводилась.

Была поставлена задача - изучить влияние типа исходной стружки, взятой для одного материала, но при обработке резанием разных по свойствам полуфабрикатов, на характер формирования структуры и свойств получаемых горячей экструзией прутков, а также провести сопоставление их с характеристиками прессованных прутков, изготовленных из литой заготовки, закрепленных в соответствующем ГОСТ. Основанием для выводов должны были служить результаты металлографических исследований и механических испытаний на твердость образцов прутков различной формы поперечного сечения и диаметра, полученных по неизменной общей схеме, включающей стадии:

а) горячее брикетирование стружки при температуре нагрева пресс-формы 450°С, давлении брикетирования 200 МПа, времени выдержки под давлением 5 мин, с получением брикетов диаметром 40 мм, высотой 30-40 мм и относительной плотностью 90-95%;

б) нагрев брикетов до температуры 800°С в отдельно стоящей печи, перенос и помещение их в смонтированную на столе вертикального гидравлического пресса усилием 1 МН инструментальную оснастку, нагретую до температуры 430-450°С;

в) горячую экструзию прямым методом через коническую матрицу с определенным коэффициентом вытяжки и смазкой контактных поверхностей смесью на основе графита.

Общее представление о видах используемой для проведения исследований стружки и опилок дают фотографии, приведенные на рис. 1.

щем изложении - тип 1);

б) резки горячепрессованных прутков на мерные длины с помощью отрезного станка (тип 2);

в) изготовления из отпрессованных прутков образцов для проведения механических испытаний на токарном станке (тип 3).

Горячей экструзией получали прутки круглого сечения диаметрами 12 мм (коэффициент вытяжки ц при этом составлял порядка 14), 8 мм (ц « 32) и 6 мм (ц « 56), а также прутки сечением - правильный шестигранник со стороной 6 мм (ц « 17) и квадрат со стороной 10 мм (ц « 16). Внешний вид вырезанных из некоторых прутков темплетов приведен на рис. 2.

Тип 1

• •' *- • л.

иц ц

Тип 2

Рис. 1. Вид исходной стружки, используемой при проведении исследований

Стружка была взята на предприятии после выполнения следующих этапов реализации общей цепочки технологических операций:

а) резки слитков-столбов на мерные длины с помощью дисковой пилы (обозначение при последую-

Рис. 2. Фрагменты прутков разных сечений, полученных горячей экструзией

Ход экспериментов показал, что независимо от того, из какого типа стружки и с каким коэффициентом вытяжки получены прутки, все они могут экструдироваться по описанному выше технологическому режиму достаточно устойчиво. Усилие экструдирова-ния, максимальное значение которого в экспериментах не превышало 900 кН, контролировали по манометру пресса, регулируя одновременно скорость перемещения верхней плиты, задающей скорость деформирования. Для фиксирования и поддержания необходимых температур рабочего пространства печей при нагреве заготовок и инструмента использовали соответствующие термопары и КСП-4.

После экструзии от полученных прутков на расстоянии не ближе, чем 50 мм от переднего конца, отбирались образцы длиной порядка 15-20 мм, на которых изучались микроструктура в продольном и поперечном направлениях, а также показатели твердости материала. Для изучения микроструктуры использовали микроскоп КЕОБОТ-32. Твердость по Бри-неллю определяли с помощью прибора М4И 03.

В ходе выполнения работы особое внимание уделялось решению некоторых частных вопросов, касающихся:

Тип 3

- оценки влияния конкретного типа исходной стружки на структурообразование и свойства пресс-изделий при определенных форме поперечного сечения и коэффициенте вытяжки;

- однородности распределения структуры и свойств по длине пресс-изделия;

- особенностей формирования структуры и свойств при переходе от экструзии круглых в плане прутков к пруткам шестигранной и квадратной форм поперечного сечения при приблизительно одних и тех же значениях коэффициента вытяжки;

- роли степени деформации (коэффициента вытяжки) в формировании структуры и свойств пресс-изделий.

При рассмотрении их старались по возможности соблюсти точность мест вырезки образцов, что давало возможность проведения корректного сопоставления структуры и свойств прутков на сравнительно одинаковом расстоянии от переднего слабодеформи-рованного конца пресс-изделий.

Оценку влияния типа используемой для получения прутков стружки проводили на прутках диаметром 12 мм. Характерные структуры прутков с указанием типа стружки приведены на рис. 3.

Сопоставление их позволяет сделать вывод, что микроструктура прутков, полученных из стружки типов 1 и 2, в основном мелкозернистая, образование которой, по-видимому, происходит вследствие протекания процессов, соответствующих стадии первичной рекристаллизации. Микроструктура прутка, изготовленного из стружки типа 3, отличается более крупными размерами зерен, что можно объяснить переходом ре-кристаллизационных процессов на стадию собирательной рекристаллизации. Предпосылкой для этого может являться наличие в исходной крупной стружке значительного количества линейных дефектов, стимулирующих протекание рекристаллизационных процессов.

Вопрос о характере изменения структуры по длине пресс-изделия с точки зрения ее однородности изучали на прутке диаметром 12 мм, исходным сырьем для получения которого служила стружка типа 2. Отбор образцов производился, начиная с переднего слабодеформированного конца прутка, и далее еще в 3^ точках через каждые 100 мм по его длине. На рис. 4 приведена картина изменения структуры по указанным поперечным сечениям, из которой видно, что, за исключением передней части, структура прутка по длине практически не меняется, представляя собой мелкие рекристаллизованные зерна.

Тип 1

а б

Рис. 3. Микроструктуры прутковдиаметром 12 ммв поперечном (а) и продольном (б) направлениях, полученных из разных типов стружки с одинаковым коэффициентом вытяжки ц = 14, х 200

в г

Рис. 4. Микроструктуры прутка диаметром 12 ммиз стружки типа 2 в нескольких поперечных сечениях, начиная с переднего конца (а) и далее вдоль его длины (б-г), х 200

Рассмотрение третьего вопроса, для изучения которого бралась стружка типа 3, принципиальной разницы в формировании структуры пресс-изделий различных форм поперечного сечения не выявило, хотя некоторые отличия в структурах полученных прутков, безусловно, есть (рис. 5).

в

Рис. 5. Микроструктуры прутков круглого (а), шестигранного (б) и квадратного (в) сечений в поперечном направлении, полученных из стружки типа 3 с приблизительно одинаковым коэффициентом вытяжки ц, х 200

Так, на микроструктурах прутков круглого и шестигранного поперечных сечений, несущественно отличающихся по форме друг от друга, видны ярко выраженные кристаллы a-фазы округлой конфигурации, а на микроструктуре прутка квадратного сечения зерна имеют пластинчато-игольчатую форму и их размер значительно больше. Это можно объяснить тем, что при экструзии прутка квадратного поперечного сечения характер течения более сложный, а схема деформации более «жесткая», чем при получении прутков круглого и шестигранного сечений, что обусловлено некоторым несоблюдением подобия форм поперечных сечений прессуемого прутка и исходного брикета.

Последним и, на наш взгляд, наиболее значимым вопросом явилось изучение влияния коэффициента вытяжки при экструзии на структуру получаемых пресс-изделий. Для изготовления прутков диаметрами

12, 8 и 6 мм использовалась стружка типа 1. Характерные структуры для трех рассмотренных случаев приведены на рис. 6, из которого видно, что прутки, полученные с большими значениями коэффициента вытяжки (ц = 32 и 56), имеют микроструктуру с зернами а-фазы пластинчато-игольчатой формы разных размеров, начиная от средних и до достаточно крупных. Это объясняется тем, что в условиях значительной пластической деформации процессы динамической рекристаллизации переходят в более глубокую стадию вторичной рекристаллизации.

в

Рис. 6. Микроструктуры прутков разного диаметра в поперечном сечении, полученных из стружки типа 1 с вытяжками соответственно 14

Для установления качественного соотношения отмеченных особенностей формирования структуры горячепрессованных прутков изменению их прочностных характеристик на всех образцах после проведения металлографических исследований производился замер в трех точках твердости материала по

Бринеллю, средние значения которой сгруппированы на рис. 7 в соответствии с приведенной выше последовательностью описания микроструктур.

1ГКГ -----------------------------------------------

деформации

Рис. 7. Уровень твердости по Бринеллю горячепрессованных прутков из стружки ЛС59-1 разных видов: а - прутки диаметром 12 мм

Из представленных данных следует, что, в целом, независимо от типа используемой стружки, формы поперечного сечения и диаметра полученных пресс-изделий, твердость НВ горячепрессованных прутков находится на уровне не ниже 800 МПа, что соответствует значениям указанной твердости для мягкого состояния материала прутков приблизительно тех же размеров из компактной латуни ЛС59-1, оговоренных в ГОСТ 31366-2008. При этом, чем меньше размер частиц используемой стружки (тип 2), тем выше прочностные характеристики прутка, достигающие при коэффициенте вытяжки ц = 14 значений НВ порядка 1000 МПа.

Разница между уровнями твердости прутков, полученных из стружки типов 1 и 3 при небольших значениях коэффициента вытяжки (ц ~ 14), причем независимо от формы их поперечного сечения, изменяется в пределах от 900 до 950 МПа. С увеличением коэффициента вытяжки твердость пресс-изделий начинает постепенно снижаться, составляя при ц = 56 величину НВ = 800 МПа. Это связано, по-видимому, с тем, что, как отмечается в [2], увеличение вытяжки, способствующее одновременному повышению скорости ис-

течения, приводит к сокращению времени теплообмена заготовки с инструментом, увеличению работы и повышению температуры пресс-изделий. Обусловленное этим некоторое снижение прочности, в принципе, вполне согласуется с качественными изменениями, происходящими в структуре прутков, описанными выше.

Повысить прочностные характеристики прутков из сыпучей стружки латуни ЛС59-1 можно, осуществляя их дополнительную холодную обработку, например, волочением [3]. Эксперименты, проведенные с использованием прутка диаметром 12 мм из стружки типа 1, показали, что сообщение материалу степени деформации 10-15% приводит к повышению твердости в 1,1-1,2 раза, а степень деформации 20-25% способствует росту твердости уже в 1,3-1,4 раза, приближая ее к значениям НВ = 1200 МПа, что соответствует по ГОСТ 31366-2008 уровню механических свойств прутков уже в полутвердом состоянии.

Таким образом, результаты лабораторных исследований показали, что, используя предлагаемый в работе подход, можно при соблюдении ряда условий добиться получения из сортной сыпучей стружки латуни ЛС59-1 качественного продукта в виде горячепрессованных прутков различных типа-размеров, свойства которых будут отвечать требованиям соответствующего ГОСТ. При этом формируемая структура во многом будет зависеть от типа и источников образования используемой стружки, а также реализуемого температурнодеформационного режима осуществления основной технологической операции - экструзии.

Список литературы

1. Райков Ю.Н., Ашихмин Г.В., Полухин В.П., Гуляев A.C. Медные сплавы. Марки, свойства, применение: справочник / под общ. ред. Ю.Н. Райкова. М.: ОАО «Институт Цветметобработка». 2011. 456 с.

2. Шевакин Ю.Ф., Грабарник Л.М., Нагайцев A.A. Прессование тяжелых цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1987. 246 с.

3. Загиров H.H., Константинов И.Л., Иванов Е.В., Арефьев A.A. Разработка технологии получения проволоки из сортной сыпучей стружки латуни ЛС59-1 // Цветные металлы. 2012. №10. С. 96-99.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

PECULIARITIES OF STRUCTURE AND PROPERTIES FORMATION OF HOT PRESSED RODS

FROM LEADED BRASS FRIABLE CHIPS

Zagirov N.N., Ivanov E.V., Kovaleva A.A., Anikina V.I.

Abstract. The article describes the scheme of making hot pressed rods from the waste of leaded brass friable chips that does not include melting stage. It studies how the type of chips, the cross section of mouldings, and the elongation ratio influence the structure and properties of hot extruded rods.

Keywords: graded friable chips, leaded brass, process scheme, rod, briquetting, hot extrusion, structure, hardness.

References

1. Raikov U.N., Ashihmin G.V., Poluhin V.P., Gulyaev A.S. Mednye splavy.

Marki, svojstva, primenenie: spravochnik / pod obshh. red. Ju.N. Rajkova. [Copper alloys. Brand, properties, application: A guide. Ed. U.N.Raikov]. M.: «Institute Tsvetmetobrabotka», 2011, 456 p.

2. Shevakin U.F., Grabarnik L.M., Nagaitsev A.A. Pressovanie tjazhelyh cvetnyh metallov i splavov. [Pressing of heavy non-ferrous metals and alloys]. M.: Metallurgy, 1987, 246 p.

3. Zagirov N.N., Konstantinov I.L., Ivanov E.V., Arefyev A.A. Razrabotka tehnologii poluchenija provoloki iz sortnoj sypuchej struzhki latuni LS59-1. [Technology of making wire from graded friable brass chips J1C59-1]. Tsvetnye metally [Non-ferrous metals], 2012, no.10, pp. 96-99.