Анализ влияния способа деформации на уровень свойств стальной проволоки

Аннотация. В работе выполнен сравнительный анализ волочения стальной высокопрочной проволоки в монолитных волоках и совмещенным способом «протяжка-волочение». Выполнено экспериментальное и компьютерное исследование способов волочения проволоки.

Ключевые слова: волочение, масштабный фактор, монолитная волока, роликовая волока, деформируемость металла, поверхностный фактор.

УДК 621.778

Харитонов В.А., Галлямов Д.Э.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ДЕФОРМАЦИИ НА УРОВЕНЬ СВОЙСТВ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ

Стальная холоднотянутая проволока является конструкционным материалом, широко используемым во многих отраслях промышленности. Ее применение обусловлено разнообразным сортаментом и спектром физико-механических свойств, регламентированных различной нормативной документацией.

В первую очередь, высокий комплекс свойств характерен для проволоки тонких и средних диаметров. С увеличением диаметра протягиваемой проволоки сохранить его не удается: происходит снижение как прочностных, так и пластических свойств, повышение неравномерности механических свойств по длине проволоки и склонности к расслоению. Подобное поведение металла связывают с масштабным эффектом, причину которого объясняют статистической вероятностью существования в объеме металла снижающих прочность различного рода дефектов. Другим принципиально важным фактором, обуславливающим масштабный эффект является неоднородность деформации, в результате которой появляются остаточные напряжения соизмеримые с пределом текучести металла.

Между тем существует острая потребность в высококачественной проволоке больших диаметров. Применение высокопрочной проволоки больших диаметров в строительстве позволяет уменьшить вес и снизить стоимость железобетонных конструкций. Производство стальных канатов, применяемых в строительстве крупных

большепролетных мостов, также нуждается в толстой холоднотянутой проволоке с повышенной прочностью. В автомобильной промышленности и сельхозмашиностроении существует потребность в аналогичном материале для изготовления пружин ответственного назначения.

В настоящее время основным способом производства стальной проволоки является волочение в монолитных волоках. Несмотря на явные преимущества этого способа, он обладает серьезными недостатками в виде неравномерности деформации и повышенного контактного трения и связанного с ним роста энергозатрат. В работе [1] отмечено, что наименьшие энергозатраты обеспечиваются при волочении в монолитных волоках проволоки диаметром менее 4,0 мм. С увеличением диаметра протягиваемой проволоки рационально использовать менее энергозатратные способы деформирования, в частности, протяжку в роликовых волоках.

В данной работе для оценки влияния масштабного фактора на свойства протягиваемой проволоки был применен критерий «поверхностный фактор», определяемый как отношение площади контакта металла с инструментом S к его объему в очаге деформации V Величина S/V является функцией размера сечения деформируемого тела и его формы. С уменьшением сечения деформируемого тела величина отношения S/V увеличивается, при этом снижается доля растягивающих напряже-

ний в очаге деформации и улучшается его деформируемость [2].

Предположим, что при S/V > 1 наряженное состояние в очаге деформации будет преимущественно определяться сжимающими напряжениями, которые при дальнейшем волочении будут только увеличиваться. Тогда, чем тоньше диаметр протягиваемой проволоки, тем выше будет деформируемость материала.

Определим диаметр проволоки, для которого поверхностный фактор S/V = 1. Выразив площадь поверхности контакта металла с волокой и объем металла в очаге деформации через диаметр проволоки на входе в волоку do и на выходе из волоки di и учитывая, что коэффициент вытяжки Л = d0 / di2, получим:

S _ 6 • Со +

V d0 + d0dl + d1

или

V + +1)

Тогда при условии

S/V = 1

d1 =

М + 1

6-(l + .

d0 =

/л

I 1 1

1+ — + —

и

.

На рис. 1 показано, как будут изменяться начальный и конечный диаметры проволоки в зависимости от вытяжки при значении поверхностного фактора

5 / V = 1.

1

Рис. 1. Изменение диаметра проволоки на входе в волоку (!0 и на выходе из волоки ^ в зависимости от вытяжки при значении поверхностного фактора S/ V = 1

Следовательно, с повышением степени деформации диаметр проволоки dl уменьшается. Для принятых в практике волочения высокопрочной проволоки единичных обжатий от 10 до 25 % (коэффициент вытяжки ¡л = 1,1 и 1,3, соответственно) изменение колеблется в диапазоне от 3,90 до 3,70 мм. Это означает, что для случая волочения в монолитной волоке равномерная деформация и хорошая деформируемость металла могут быть обеспечены для проволоки диаметром менее 3,70 мм. И, наоборот, с увеличением диаметра протягиваемой проволоки более 3,90 мм деформируемость металла будет снижаться.

Повысить деформируемость металла при волочении проволоки диаметром более 3,90 мм можно, если принять во внимание, что поверхностный фактор зависит не только от размеров заготовки, но и от формы деформирующего инструмента. Учитывая, что проволока круглого сечения имеет минимальную поверхность, увеличить величину можно протяжкой в фасонных (овальных, квадратных или треугольных и др.) калибрах. Наиболее предпочтительным в этом плане является волочение не в монолитных, а в роликовых волоках по схемам «овал-круг», «стрельча-

тый треугольник-круг» или «стрельчатый квадрат - круг». Протяжка в роликовых волоках с указанной калибровкой будет способствовать увеличению площади контакта металла с инструментом и, следовательно, фактора S/V и уменьшению растягивающих напряжений.

Таким образом, если приведённое выше утверждение справедливо, то проволока большого диаметра, изготовленная способом протяжки в роликах, должна иметь более высокий уровень свойств.

Для определения рациональной технологии было выполнено экспериментальное исследование способов волочения проволоки. Напряженно-деформированное состояние металла оценивалось компьютерным моделированием в программном комплексе DEFORM-3D.

В результате проведения эксперимента были изготовлены образцы проволоки диаметром 3,20 и 4,00 мм. В качестве заготовки была использована соответственно патентированная проволока диаметром 5,60 мм

{аВ = 1190 Н/мм2) и сорбити-зированная катанка диаметром 6,50 мм (ö£ = 1080 Н/мм ). Материал - сталь марки 70 с химическим составом, приведенным в табл. 1.

Таблица 1

й состав стали

Содержание элементов, %

C Mn Si S P Cr Ni Cu

Диаметр 3,20 мм

0,73 0,48 0,34 0,016 0,015 0,06 0,03 0,05

Диаметр 4,00 мм

0,70 0,52 0,25 0,014 0,017 0,04 0,02 0,02

Проволока каждого диаметра изготавливалась двумя способами: стандартным волочением в монолитных волоках и совмещенным, т.е. попеременным волочением в роликовых и монолитных волоках.

Для протяжки были использованы неприводные четырехроликовые прокатные клети. Квадратные профили, полученные протяжкой, калибровали в монолитной волоке.

Ниже приведены маршруты волочения проволоки обоих диаметров.

Проволока диаметром 3,20 мм. Вариант 1- волочение в монолитных волоках по маршруту

5,60—>5,10 — 4,50 — 4,00 — 3,55 — 3,20 мм Вариант 2- волочение в роликовых и монолитных волоках по маршруту 5,60 — 5,00х5,00 — 4,60 — 4,10х4,10 — 3,80 — 3,50х3,50 — 3,20 мм

Проволока диаметром 4,00 мм.

Вариант 1- волочение в монолитных волоках по маршруту 6,50 ^ 5,90 ^ 5,15 ^ 4,50 ^ 4,00 мм.

Вариант 2- волочение в роликовых и монолитных волоках по маршруту

Механические

6,50 ^ 5,90 ^ 5,50х5,00^ 4,70 ^ 4,30х 4,30 ^ 4,00 мм

В табл. 2 представлены результаты испытаний механических свойств проволоки, изготовленной по разным схемам.

Таблица 2

свойства проволоки

№ вари- Временное сопротивление разрыву, оВ, Н/мм2 Удлинение 5ю0, % Число перегибов Число скручиваний Оценка состояния скрученных образцов

анта мин. макс. среднее

Диаметр 3,20 мм

1 1670 - 1690 3 - 4,5 22 - 25 32 - 43 без

1683 3,8 23,3 39 расслоения

2 1670 - 1680 3 - 4,5 21 - 24 37 - 41 без

1673 3,8 22,7 38,7 расслоения

Диаметр 4,00 мм

1 1540 - 1550 3,2 - 3,4 10 - 11 27 - 34 без

1545 3,3 10,7 31 расслоения

2 1440 - 1450 4,1 - 4,4 12 - 13 34 - 38 без

1445 4,3 12,4 36,3 расслоения

У проволоки диаметром 3,20 мм, изготовленной как стандартным, так и совмещенным способом, практически нет разницы по прочностным и пластическим свойствам. Наоборот, у проволоки диаметром 4,00 мм эта разница весьма существенна. Проволока диаметром 4,00 мм, изготовленная совмещенным способом, имеет более низкое временное сопротивление разрыву, что, по-видимому, связано с меньшим нагревом и, следовательно, меньшим деформационным старением. При этом пластические свойства ее выше: по числу перегибов в среднем на 15,9 %, по числу скручиваний - на 14,6 %. Это свидетельствует о лучшей проработке по сечению и большей равномерности механических свойств по длине проволоки диаметром 4,00 мм, изготовленной совмещенным способом. Следовательно, подтверждается ранее сделанный вывод о величине критического диаметра (при S/V > 1) и необходимости использования роли-

ковых волок при волочении проволоки больших размеров.

Полученные в ходе эксперимента данные были сопоставлены с результатом компьютерного моделирования.

Моделирование способов волочения проволоки проводили методом конечных элементов в среде программного комплекса «DEFORM-3D». Моделирование выполняли в соответствии с принятыми маршрутами волочения.

При моделировании введены следующие данные: процесс является симметричным; рабочий инструмент (волоки, валки и тянущие шайбы) представляет абсолютно жесткое тело; материал проволоки считается однородным, изотропным; деформируемая среда - пластическая. Температурные условия приняты изотермические. Рабочий угол волок - 12°, диаметр роликов - 100 мм

Программный комплекс DEFORM -3D позволяет прогнозировать обрывность проволоки при волочении с помощью кри-

терия Cockroft-Latham (рис. 2). В нашем случае полученные значения этого критерия для проволоки диаметром 3,20 мм несколько выше при волочении совмещенным способом, чем при стандартном способе. Вместе с тем эти значения критерия далеки от критических, т.е. в обоих случаях проволока имеет достаточно высокий коэффициент запаса прочности. Однако экспериментальные данные показывают более низкие пластические свойства у проволоки протянутой совмещенным способом. И наоборот, проволока диаметром 4,00 мм, изготовленная с использованием роликовых волок, имеет значительно больший коэффициент запаса прочности по сравнению с протянутой в монолитных волоках.

На рис. 3 приведены поля интенсивности напряжений в очаге деформации калибрующей монолитной волоки при волочении на готовый размер 4,00 мм (а -

для стандартного процесса волочения, б -совмещенного).

Результаты моделирования показывают, что при волочении в монолитных волоках доля растягивающих напряжений существенно выше, чем при совмещенном способе. Применение протяжки в роликовых волоках позволяет снизить действие растягивающих напряжений и улучшить деформируемость металла.

Проведенные исследования подтверждают более высокую эффективность волочения проволоки больших диаметров с использованием роликовых волок. Эффект проявляется за счет более благоприятной схемы напряженного состояния в очаге деформации и меньших потерь на контактное трение. Совмещенный процесс волочения позволит улучшить технико-экономические показатели процесса, повысить качество и конкурентоспособность продукции.

Рис. 2. Значения критерия Cockroft-Latham при волочении проволоки диаметрами 3,20 и 4,00 мм, соответственно, в монолитных волоках

Рис. 3. Напряженное состояние проволоки при волочении проволоки диаметром 4,00 мм в монолитных волоках

В настоящее время ведущими европейскими производителями, такими как «Eurolls», «DEM» «KarlFuhr», выпускаются роликовые кассеты (волоки) для протяжки стальной проволоки. Несмотря на некоторые отличия в конструкции, практически все модели роликовых кассет можно установить на действующие волочильные машины проволоки вместо традиционных мыльниц с волокодержателя-ми. Эти роликовые кассеты применяются для волочения низкоуглеродистой проволоки, главным образом, арматурной. Для волочения высокопрочной стальной проволоки требуется увеличение жесткости их корпуса и усиления подшипникового узла. Это позволит использовать их в линии существующих волочильных станов для волочения проволоки больших диаметров, а также на первых проходах при волочении более тонкой проволоки.

Список литературы

1. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Исследование эффективности способов волочения стальной проволоки // Вестник «НТУ ХПИ». 2012. № 46 (952). С. 192-198.

2. Дзугутов М.Я. Пластичность, ее прогнозирование и использование при ОМД. М.: Металлургия, 1984. 64 с.

References

1. Haritonov V.A., Galljamov D.Je. Efficiency analysis of steel wire drawing methods. Vestnik «NTU HPI» [Bulletin "NTU KPI"]. 2012, no. 46 (952), pp. 192-198.

2. Dzugutov M. Ja. Plastichnost, ee prognozirovanie i ispolzovanie pri OMD [Ductility, its forecasting and application in metal forming]. Moscow: Metallurgy, 1984, 64 p.