СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КРУГЛОЙ КАЛИБРОВАННОЙ СТАЛИ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ
ROUND CALIBRATED STEEL WITH ULTRAFINE-GRAINED STRUCTURE PRODUCTION METHOD

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления круглой калиброванной стали с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами.
Известен способ изготовления круглой калиброванной стали холодным волочением за один или несколько переходов круглой заготовки через монолитные круглые волоки с применением вспомогательных операций термической обработки для получения необходимой микроструктуры, а также операций удаления окалины и нанесения подсмазочного слоя для создания микрогеометрии поверхности, обеспечивающей устойчивый процесс волочения (см. Шефтель Н.И. Производство стальных калиброванных прутков. М.: Металлургия, 1970. - С. 15).
Недостатком данного способа является невозможность получения градиентной ультрамелкозернистой структуры и благоприятного напряженного состояния в поверхностном слое изделия и, как следствие, его повышенных механических свойств, предела выносливости и коррозионной стойкости.
Наиболее близким аналогом является способ изготовления круглой калиброванной стали, включающий волочение круглой заготовки через вращающуюся вокруг нее роликовую волоку, имеющую три свободно вращающихся цилиндрическо-конических деформирующих ролика, установленных по окружности через 120°. Волока вращается вокруг заготовки с частотой 500-700 об/мин. Угол разворота (угол подачи) деформирующих роликов β составляет 2-7°, степень деформации выбирается в интервале 15-25%. Значение угла конической части деформирующего ролика α не нормируется (см. Шаврин О.И., Маслов Л.Н., Трухачев А.В., Князев А.Г., Дементьев В.Б. Исследование и разработка технологии производства калиброванной стали с термомеханическим упрочнением / Сталь, №3,1981. - С. 75-78).
Недостатком данного способа является невозможность получения градиентной ультрамелкозернистой структуры и, как следствие, повышение механических свойств изделия. Кроме того, после такой обработки на поверхности калиброванной стали остается винтовой след, что снижает качество поверхности.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении механических свойств, коррозионной стойкости и предела выносливости круглой калиброванной стали за счет создания градиентной ультрамелкозернистой структуры и благоприятного напряженного состояния.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи, заключается в интенсивной обработке поверхностных слоев металла путем создания больших сдвиговых деформаций, благоприятного напряженного состояния, и согласования угловых и линейных скоростей течения металла в очаге деформации.
вол
Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства круглой калиброванной стали волочением с обжатием 15-25% во вращающейся вокруг заготовки роликовой волоке, имеющей три неприводных цилин-дрическо-конических деформирующих ролика, установленных по окружности через 120°, согласно изобретению, угол конической части деформирующего ролика α изменяется в пределах 4-8°, угол подачи деформирующих роликов β больше 16°, а скорость волочения V определяется из соотношения:
где  - длина цилиндрической части деформирующего ролика
n - число оборотов роликовой волоки.
В случае несоблюдения данного условия на поверхности прутка образуется винтовой гребень, что недопустимо при производстве круглой калиброванной стали.
Известен способ производства круглой калиброванной стали холодным волочением за один или несколько переходов круглой заготовки через монолитные круглые волоки (см. Шефтель Н.И. Производство стальных калиброванных прутков. М.: Металлургия, 1970. - С. 15).
Заявленный способ, как и известный, предназначен для получения формы, размеров и свойств круглой калиброванной стали.
Известен способ производства круглой калиброванной стали, включающий волочение круглой заготовки через вращающуюся вокруг нее роликовую волоку, имеющую три неприводных цилиндрическо-конических деформирующих ролика, установленных по окружности через 120° (см. Шаврин О.И., Маслов Л.Н., Трухачев А.В., Князев А.Г., Дементьев В.Б. Исследование и разработка технологии производства калиброванной стали с термомеханическим упрочнением / Сталь, №3, 1981. - С. 75-78).
Этот способ обеспечивает, наряду с получением формы и размеров калиброванной стали, измельчение микроструктуры и снижение уровня растягивающих напряжений в готовом изделии.
В заявляемом, как и в известном способе изготовления круглой калиброванной стали, включающем волочение круглой заготовки во вращающейся вокруг нее трехроликовой волоке с круглым калибром, образованном неприводными цилиндрическо-коническими деформирующими роликами, расположенными по окружности под углом 120°, взятом за прототип, основной признак, изложенный в формуле изобретения, предназначен для создания в очаге деформации напряженно-деформированного состояния, обеспечивающего повышение механических и эксплуатационных свойств круглой калиброванной стали.
Однако, наравне с вышеуказанными техническими свойствами, заявляемая совокупность отличительных признаков, указанная в формуле изобретения, заключается в дополнительном эффекте от изменения напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и согласования угловой и линейной скоростей течения металла, создает новый технический результат, заключающийся в интенсивной обработке поверхностных слоев металла путем создания больших сдвиговых деформаций, благоприятного напряженного состояния и согласования угловых и линейных скоростей течения металла.
Определение режимов обработки, обеспечивающих получение высокой степени накопленной деформации и сжимающих напряжений в поверхностных слоях круглой калиброванной стали, позволяет сформировать градиентную ультрамелкозернистую структуру и благоприятное напряженное состояние, что гарантирует получение качественной стали с повышенными механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью и усталостной прочностью.
Зависимость изменения скорости волочения от числа оборотов волоки и длины цилиндрической части деформирующего ролика позволяет исключить появление наплывов, и тем самым повысить качество поверхности круглой калиброванной стали.
На основании вышеперечисленного можно сделать вывод, что заявляемый способ производства круглой калиброванной стали не следует явным образом из известного уровня техники и, следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
1
2
Сущность изобретения поясняется чертежами. На чертеже 1 представлена принципиальная схема волочения на готовый размер во вращающейся вокруг заготовки роликовой волоке. На чертеже позициями обозначены: 1 - обрабатываемая заготовка; 2 - деформирующий ролик; w - скорость вращения роликовой волоки; w - скорость вращения деформирующих роликов.
На чертеже 2 представлены геометрия деформирующего ролика вращающейся волоки (а) и деформирующий ролик, повернутый на угол подачи β (б). На чертеже позициями обозначены: β - угол подачи деформирующих роликов;  - длина цилиндрической части деформирующего ролика; α - угол конической части деформирующего ролика; ∅ - диаметр деформирующего ролика.
Сущность предлагаемого способа изготовления круглой калиброванной стали состоит в следующем.
Исходя из размера и требуемых свойств круглой калиброванной стали, выбирается степень деформации, которая определяет механические свойства готовой проволоки, глубину проникновения деформации сжатия, напряжение волочения и требуемый диаметр заготовки. Анализ теории и практики производства круглой калиброванной стали показывает, что рациональное значение степени деформации находится в интервале 15-25%. После чего изготавливаются деформирующие ролики, при этом задаются заявленные значения углов конической части роликов α и длина цилиндрической части роликов
После установки значения угла подачи деформирующих роликов β на заявленную величину, производится настройка роликов на готовый размер. По заявляемой зависимости рассчитывается скорость волочения.
Круглая заготовка 1 в горячекатаном или термообработанном состоянии, после удаления окалины, нанесения подсмазочного слоя и острения переднего конца задается в ролики 2 роликовой волоки, через которую протягивается любым из известных способов. Роликовой волоке при этом придается вращение, например, электродвигателем. Данный способ позволяет производить круглую калиброванную сталь по схемам: «пруток-пруток», «бунт-бунт», «бунт-пруток» при установке летучих ножниц.
Вращательно-поступательное (геликоидальное) течение металла, возникающее в коническом очаге деформации, при заявленных режимах деформации обеспечивает интенсивную сдвиговую деформацию, значительное измельчение зерна и высокую степень накопленной деформации в поверхностных слоях калиброванной стали. В центральных слоях калиброванной стали структура практически не изменяется. При этом в поверхностных слоях действуют сжимающие напряжения. В центре хотя и действуют растягивающие напряжения, но величина их не вызывает разрушения металла. Исключению разрушения металла центре способствует уплотняющее действие радиальных напряжений, действующих в очаге деформации при заявленных значениях углов подачи β и конусности α. Это обеспечивает получение круглой калиброванной стали с градиентной ультрамелкозернистой структурой по сечению.
Поверхность имеет ультрамелкозерниую структуру, центр - исходную структуру. При этом в поверхности действуют преимущественно сжимающие напряжения.
Такое напряженно-деформированное состояние гарантирует повышение прочностных и пластических свойств, коррозионной стойкости и предела выносливости круглой калиброванной стали.
вол
Волочение во вращающейся вокруг заготовки роликовой волоке со скоростью V, определяемой из соотношения , обеспечивает отсутствие наплывов на поверхности, что приводит к получению круглой калиброванной стали с гладкой поверхностью.
Изменение угла конической части меняет глубину слоя с ультрамелкозернистой структурой, форму и площадь контакта роликов с обрабатываемым прутком. Глубина слоя с ультрамелкозернистой структурой растет с увеличением значения угла конусности α в диапазоне 4-8°. При этом, значение площади контакта деформирующих роликов с обрабатываемым прутком в этом диапазоне углов минимально. Волочение при углах конусности α менее 4° и более 8° приводит увеличению площади контакта и образованию на поверхности обрабатываемого прутка наплывов перед деформирующими роликами, что вызывает скручивание переднего конца прутка и его обрыв.
Угол подачи деформирующих роликов β должен быть больше 16°. Уменьшение угла подачи роликов не обеспечивает получение высокой степени накопленной деформации и не позволяет сформировать градиентную ультрамелкозернистую структуру при волочении круглой калиброванной стали.
Пример конкретного выполнения.
Для проверки были проведены экспериментальные исследования, для которых была использована горячекатаная заготовка диаметром 16,0 мм из стали марки 20. Предел прочности заготовки 480 МПа, относительное удлинение 37%.
Для экспериментов была изготовлена роликовая волока, состоящая из трех деформирующих роликов. Диаметр роликов 55 мм, высота роликов 25 мм, длина цилиндрической части 5 мм. Скорость вращения роликовой волоки 600 об/мин.
Заготовку волочили в холодном состоянии на готовый диаметр 14,75 мм со степенью деформации 15% с применением монолитных и роликовых волок. На готовой калиброванной стали определяли предел прочности и относительное удлинение, оценивали состояние поверхности и толщину слоя с ультрамелкозернистой структурой h на продольных шлифах с помощью инструментального микроскопа. Затем рассчитывали показатель k, как отношение толщины слоя с ультрамелкозернистой структурой h к радиусу прутка k=h/r, %.
Режимы волочения и свойства круглой калиброванной стали приведены в таблице.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что в заявляемом способе производства круглой калиброванной стали с ультрамелкозернистой структурой возникает благоприятная схема напряженно-деформированного состояния металла, способствующая появлению большой сдвиговой деформации, что обеспечивает получение градиентной ультрамелкозернистой структуры металла. Изменение угла конической части деформирующих роликов приводит изменению глубины получаемого слоя с ультрамелкозернистой структурой, что повышает, как прочностные, так и пластические свойства обрабатываемой заготовки. Соответственно заявляемое решение может быть применимо в волочильном производстве, а следовательно, соответствует условию "промышленная применимость".