СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛОСЫ ИЗ НИХРОМА И ПОДОБНЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR MANUFACTURING OF STRIP FROM NICHROME AND SIMILAR ALLOYS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно - к способу получения полосовых профилей из нихрома и подобных ему сплавов, предназначенных для изготовления нагревательных элементов и элементов сопротивления.
Из уровня техники известен способ получения полосы из черных и цветных металлов, имеющей прямоугольное поперечное сечение, которое достигается плющением круглой заготовки валками прокатного стана типа дуо [1]. Вследствие проявления процесса неравномерного свободного уширения металла боковая поверхность такой полосы приобретает бочкообразность. Полоса по упомянутому аналогу имеет форму четырехугольника, у которого две большие оппозитно расположенные стороны выполнены прямолинейными, а две оппозитные малые стороны выполнены криволинейными с выпуклостью наружу. Форма этой выпуклости достигается естественным образом и не контролируется инструментом (валками прокатного стана), поэтому она может существенно колебаться в зависимости от характера контактного трения, износа поверхности валков, величины обжатия и др. Следовательно, технологически трудно получить полосу в узком поле допуска [2] и с малыми отклонениями площади поперечного сечения по длине полосы. Вместе с тем фактор постоянства площади сечения имеет серьезное значение при работе нагревателей, для изготовления которых используются полосы из нихрома и подобных сплавов. При пропускании электрического тока в местах меньшего сечения происходит местный перегрев металла, в результате чего он быстро окисляется, газонасыщается и теряет необходимые служебные свойства. С учетом этого полоса из нихрома и подобных сплавов должна обладать постоянством физических и механических свойств по длине, а также постоянством размеров поперечного сечения.
Из уровня техники также известно, что полуфабрикаты прямоугольного поперечного сечения из сплавов, обладающих повышенным уровнем жаропрочности, жаростойкости и электросопротивления [2, 3], в частности из нихромов, получают способами горячей и холодной прокатки - на начальном этапе в виде листов и лент. Такая форма заготовок является промежуточной, и на последующем этапе - при непосредственном изготовлении нагревательных элементов листы и ленты, как правило, разделяют на полосы требуемой ширины методом продольной резки [4-6].
В качестве наиболее близкого аналога принят способ получения полосы из никель-хромового сплава [7], с которым тесно коррелирует способ изготовления нагревательных элементов и элементов сопротивления в виде холоднокатаной ленты из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением [2]. Согласно наиболее близкому аналогу полоса имеет прямоугольную форму в сечении, перпендикулярном длине полосы и не имеет в углах сечения радиусов закругления. Более того, согласно объекту - наиболее близкому аналогу на кромках ленты допускаются неровности и другие дефекты, а также заусенцы размером не более суммы предельных отклонения по толщине [2, п.1.3.9], которые максимально могут составлять ±0,08 мм [2, табл.2]. Наличие такой острой кромки или даже кромки с заусенцем приводит к опасности травмирования обслуживающего персонала при выполнении операций гибки и формирования нагревательного элемента. Это обстоятельство порождает низкие потребительские свойства продукции. В общем случае форма поперечного сечения полосы зависит от способа получения данного полуфабриката. Полосы из нихрома принято производить методом горячей и холодной листовой прокатки с получением листов и лент и их последующего разделения продольной резкой. При использовании такого способа, включающего продольную резку плоского проката, появление заусенцев практически неизбежно, особенно если учитывать хорошо известные вязкость и высокую адгезионную способность сплавов на основе никеля.
Задачами предлагаемого технического решения являются повышение потребительских свойств продукции и снижение стоимости ее производства.
Поставленные задачи решаются тем, что осуществляют горячую сортовую прокатку слитка на полосовую заготовку прямоугольного поперечного сечения под волочение в бунтах, многоразовое бунтовое волочение полученной заготовки до готовой полосы высокой точности профиля на однократном барабанном волочильном стане с промежуточными отжигами после каждого прохода волочения и окончательным смягчающим отжигом готовой полосы. Кроме того, при горячей сортовой прокатке используют ребровые проходы, в которых малым граням промежуточной заготовки придают вогнутую форму.
Получение полосовой заготовки рассматриваемого назначения предлагаемым методом горячей сортовой прокатки является значительно более простым в реализации и менее затратным способом по сравнению с известным способом, согласно которому технологическая схема содержит горячую и холодную листовую прокатку; в связи со следующим.
1. Используются слитки гораздо меньших размеров и соответственно массы. Так, в производстве заявителя масса слитка нихрома марки Х20Н80-Н, полученного наполнительным литьем в чугунную изложницу, составляет 55-60 кг в отличие от известных технических решений, где минимальная масса слитка колеблется от 200 кг [8, с.468, 476] до 500 кг [9, с.214].
2. Широко известно, что вероятность возрастания количества и размеров дефектов в слитках и в промежуточных заготовках увеличивается с ростом их размеров, что связано с исключительно высокой чувствительностью сплавов этой группы к внутренним напряжениям [8, с.462-466, рис.261-265]. Далее в [8, с.463-465] подчеркивается, что причиной образования сплошной сетки глубоких трещин являются термические напряжения, обусловленные низкой теплопроводностью и весьма высокой хрупкостью сплавов этой группы. Заявитель дополнительно отмечает, что на уровень внутренних напряжений термического происхождения существенно влияет масштабный фактор: известно, что для крупных слитков указанный уровень значительно выше. Отмеченный рост количества дефектов относится как к дефектам литейного происхождения, включая сильно развитую транскристаллизацию со слабой спайностью кристаллов литого металла [8, с.456, 462-463], так и к дефектам, полученным при горячей прокатке, особенно если она проводится в области высоких температур, равных 1150-1200°С [8, с.473].
3. Учитывая пониженную пластичность сплавов при таких высоких температурах, применяют прием подстуживания слитков после нагрева их в печи перед подачей к прокатному стану или прием охлаждения промежуточных раскатов, а также используют предварительную ковку слитков на заготовки квадратного сечения с последующим нагревом последних и только затем проводят горячую прокатку [8, с.468-469]. Этот комплекс мер приводит к нерациональному использованию тепла нагретых слитков, повышенному расходу топлива, снижению производительности вследствие потерь времени на подстуживание массивных слитков, а также к удорожанию производственного процесса в целом из-за введения в него дополнительного кузнечного передела. Высокая энергоемкость и повышенный уровень трудозатрат известной технологической схемы очевидны и в дополнительном комментарии не нуждаются.
В производстве заявителя на начальном этапе освоения выпуска нихромовых полос также применяли ковку, но затем в процессе совершенствования как режимов литья, так и технологии прокатки от нее отказались, и в настоящее время нагретые в камерной печи слитки подают непосредственно на прокатку. Немаловажно и то, что при необходимости подстуживания металла перед прокаткой для слитков малой массы оно осуществляется значительно быстрее; в частности в производстве заявителя - во время выдачи слитка из печи, в течение его движения по рольгангу и сталкивания слитка с рольганга для подачи к обжимной клети прокатного стана.
4. Использование слитков крупного сечения существенно ухудшает условия захвата металла валками прокатного стана [8, с.476]; кроме того, в [8, с.477] отмечено, что нихромы из-за большого уширения склонны значительно переполнять калибры. Далее в [8, с.477] указано, что при прокатке никелевых сплавов с высоким содержанием никеля происходит наварка металла на арматуру и валки. Эта тенденция также была зафиксирована в производстве заявителя при горячей прокатке нихрома марки Х20Н80-Н, в котором содержание никеля составляет 80%.
Эти три фактора (затрудненный захват, повышенное уширение, интенсивная адгезия) усиливают свое негативное влияние при значительном числе проходов (до 20 и более) в процессе прокатки, проводимой из крупных слитков по известному способу. В производстве заявителя согласно заявленному способу число проходов снижено до 14, следовательно, резко уменьшено отрицательное влияние всех трех вышеуказанных явлений на достижение технического результата предлагаемого технического решения.
5. Отдельно следует остановиться на таком трудо- и энергоемком процессе как нагрев слитков перед ковкой и горячей прокаткой. По данным [8, табл.125], даже с учетом соблюдения условия горячей посадки отлитых слитков в нагревательную печь (при температуре слитков 600-700°С), для нихрома марки Х20Н80 минимальная продолжительность нагрева составляет 9 ч. При этом передача слитков из литейного цеха должна проводиться в футерованных коробках (некрупные слитки) или в изложницах немедленно после разливки [8, с.473]. После ковки на квадратное сечение полученные заготовки, имеющие температуру 800°С, рекомендуют выдерживать в термостате до температуры 100-120°С в течение 90-120 ч (то есть в течение 3,75-5 суток), а затем охлаждать на воздухе. Кроме того, кузнечный передел часто содержит дополнительный подогрев донной части слитка.
Согласно заявляемому способу ковка и связанный с ней нагрев отсутствуют, термостатирование также исключено, а максимальная продолжительность нагрева в камерной печи под прокатку слитков массой 55-60 кг составляет 3 ч, что свидетельствует о многократном сокращении объема всех видов затрат по переделам согласно предлагаемому техническому решению.
6. С учетом резкого снижения в последние 15-17 лет объемов партий металла, заказываемых заводам черной металлургии со стороны российских потребителей продукции, крупномасштабное производство полос из нихрома, в котором применяется известная технологическая схема с использованием слитков значительной массы, оказалось нерентабельным. С учетом этого обстоятельства в производстве заявителя после проведения серии опытов был разработан высокоэкономичный технологический регламент и осуществляется производство промышленных партий продукции достаточного объема и существенно повышенного качества по сравнению с известными способами.
Решение задачи повышения потребительских свойств изделий достигнуто следующими приемами обработки. Отрицательное влияние неконтролируемого уширения при горячей прокатке, порождающего образование выпуклости на малых гранях плоской горячекатаной заготовки, ликвидировали посредством использования ребровых проходов, при прокатке в которых малым граням промежуточной заготовки придают слегка вогнутую форму. Затем после очередного, в том числе чистового прохода на гладкой бочке валков, конфигурация поперечного сечения заготовки вследствие свободного уширения становится практически прямоугольной, что существенно облегчает ее последующее волочение. В общем случае в маршруте прокатки, как показывает практика, вполне достаточно предусмотреть два ребровых прохода: один, как выше отмечено, перед последним, то есть чистовым, другой - за 4 прохода до конца маршрута.
Решающим аргументом в деле повышения потребительских свойств изделия является включение в заявляемый способ процесса волочения горячекатаной заготовки для получения готовой полосы. Заявитель полагает, что достоинства волочения с позиции получения продукции высокой точности перед другими видами обработки давлением, в частности перед прокаткой настолько широко известны, что не требуют детального анализа. Следует лишь остановиться на следующих.
1. При волочении на выходе металла из волоки получают высокоточную полосу, т.к. в этом процессе металл во всех точках по периметру волочильного канала зажат инструментом, и получаемое сечение в точности воспроизводит профиль волочильного канала по калибрующей зоне волоки.
2. Высокое качество поверхности готовых холоднотянутых полос, достигаемое полировкой зон волочильного канала и подбором эффективной смазки, обеспечивающей, как минимум, режим граничного трения.
3. Наличие нормированных радиусов закруглений в углах прямоугольного сечения полосы, то есть гарантированное отсутствие острых кромок или даже кромок с заусенцем; этим устраняется риск травмирования персонала при проведении операций гибки и монтажа нагревательных элементов по месту их установки в нагревательных устройствах.
4. Предпринят еще ряд дополнительных мер, обеспечивающих стабильный режим волочения (в частности, усовершенствована форма волочильного канала именно для волочения полос из нихрома), однако их рассмотрение выходит за рамки настоящей заявки.
Сравнение процессов тонколистовой или ленточной прокатки с процессом волочения с позиции энерго- и трудозатрат приводит к выводу о неоспоримых преимуществах волочения перед прокаткой. Что касается более простых текущего обслуживания и ремонта волочильной машины по сравнению с прокатным станом, то и в этом аспекте известная технологическая схема с использованием методов плоской прокатки явно проигрывает предлагаемой, содержащей процесс волочения.
Применение именно барабанного волочильного стана обусловлено двумя следующими обстоятельствами: во-первых, удобством обработки волочением горячекатаной заготовки, смотанной в бунт по окончании прокатки, во-вторых, условиями проведения промежуточных и окончательного отжигов, для осуществления которых используется электрическая шахтная печь, имеющая круглое поперечное сечение, и бунты полос уложены в ней на тарелки, прикрепленные к центральной вертикальной стойке.
Необходимость проведения промежуточных рекристаллизационных отжигов диктуется пониженной пластичностью и высокой прочностью металла после холодной пластической деформации даже с умеренными обжатиями, свойственными волочению, что также отмечено в [8 и 9]. Конкретно, при холодной нагартовке нихрома сопротивление деформации достигает 1200-1300 МПа, и только после полного рекристаллизационного отжига сплавы этой группы приобретают умеренные значения предела прочности на уровне 600 МПа. Окончательный смягчающий отжиг готовой полосы предусмотрен в заявляемом техническом решении в связи с необходимостью соблюдения требования стандарта [2, п.1.3.2]: ленту толщиной 0,2 мм и более изготовляют в мягком термически обработанном состоянии. Попутно заявитель отмечает, что по причине отсутствия нормативного документа, регламентирующего требования к холоднотянутым полосам, и изготовитель, и потребители этого вида продукции руководствуются стандартом, относящимся к изделиям в виде лент [2].
В качестве примера конкретной реализации заявляемого технического решения далее изложен процесс изготовления полосы прямоугольного поперечного сечения с размерами 2,0×20 мм из нихрома марки Х20Н80-Н в производственных условиях заявителя.
Слиток, полученный наполнительным литьем в чугунную изложницу, имеющий коническую форму диаметрами 85/120, высотой 650 мм и массой 55-60 кг, после нагрева в камерной газовой печи до температуры 1260±30°С прокатывают на мелкосортно-проволочном стане 300 за 14 проходов на заготовку сечением 5×22,5 мм и сматывают в бунт. Отсутствия бочкообразности горячекатаной заготовки под волочение достигают применением двух ребровых калибров, имеющих выпуклость дна ручьев: один из них является предчистовым, другой расположен на валках 4-й с конца клети. После удаления с бунтов заготовки окалины путем щелочно-кислотного травления заготовку протягивают через твердосплавные волоки за 5 проходов на однократном барабанном волочильном стане модели ВСГ 1/650 (где ВСГ - волочильный стан горизонтальный, т.е. с горизонтальной осью вращения барабана; 1 - однократный; 650 - диаметр тягового барабана, мм), применяя промежуточные рекристаллизационные отжиги в шахтной печи электросопротивления при температуре 950°С после каждого прохода волочения с последующими травлениями; смазка при волочении - сухой порошок натриевого мыла с добавками. Для готовой полосы, поставляемой заказчику согласно [2] в мягком состоянии, проводят окончательный смягчающий отжиг в тех же условиях, что и промежуточные отжиги, затем полосу подвергают чистовому травлению и после приемки ОТК и упаковки отправляют потребителю.
в
в
Сечение полосы имеет нормированные радиусы закруглений в углах профиля, готовая продукция в полной мере отвечает требованиям стандарта [2] по макро- и микрогеометрии, электротехническим характеристикам и механическим свойствам, а именно: удельное электрическое сопротивление ρ=1,06-1,16 мк Ом·м (по стандарту ρ=1,06-1,17 мк Ом·м); полосы выдерживают испытание на живучесть по методу В и по методу Г; предел прочности σ равен 630-720 МПа (по стандарту σ≤834 МПа); относительное удлинение δ составляет 22-28% (стандарту δ≥20%).
Таким образом, согласно заявляемому способу в производстве заявителя разработана и реализована технологическая схема получения промышленных партий нихромовых полос общим числом 7 позиций толщиной от 2 до 4 мм, шириной от 20 до 40 мм; схема подтвердила результативность и рентабельность ресурсосберегающей и малоэнергоемкой технологии производства изделий из сплава высокого электросопротивления нихрома.
Источники информации
1. Патент США № 4552599. Process for producing insulated rectangular wire. МКИ В21С 37/04, Н01В 13/00. Опубл. 12.11.85.
2. ГОСТ 12766.2-96 Лента из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. - М.: Изд-во стандартов. ОКП 12 3500, 12 3600. Группа В73.
3. Электротехнические материалы. Справочник / В.В.Березин, Н.С.Прохоров, Г.А.Рыков, А.М.Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1983, 504 с.
4. Патент США № 3625678. Nikel-Chrommm alloys adaptid for producing weldable sheet. НКИ 75-171. МКИ С22С 19/00. Опубл. 07.12.71.
5. Патент Франции № 2745147. Resistive heating element enclosed in layered mica sheet. МКИ Н05В 3/30. Опубл. 22.08.97.
6. Патент Великобритании № 2153845. Production of superalloy sheet. МКИ С22С 19/05. Опубл. 29.08.85.
7. Патент США № 3177075. Nickel-Chromium sheet alloy. НКИ 75-171. Опубл. 06.04.65.
8. Чижиков Ю.М. Процессы обработки давлением легированных сталей и сплавов. - М.: Металлургия, 1965, 499 с.
9. Дзугутов М.Я. Пластичность и деформируемость высоколегированных сталей и сплавов. 3-е изд. - М.: Металлургия, 1990, 303 с.