Способ получения из высокоуглеродистой стали проволоки с наноструктурой

Изобретение предназначено для снижения себестоимости арматурной высокопрочной проволоки. Способ включает деформацию заготовки путем приложения тянущей силы с одновременным приложением дополнительной деформации сдвига вращением. Снижение затрат на производство проволоки с повышенными физико-механическими свойствами посредством повышения величины накопленной деформации обеспечивается за счет того, что величину деформации сдвига устанавливают регламентированным изменением величины угла подъема винтовой линии вращения, причем величину угла подъема винтовой линии вращения за один проход устанавливают в пределах 2-10° при суммарном угле подъема не более 50°. 1 табл.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для изготовления преимущественно арматурной высокопрочной проволоки 9 группы (диаметров более 8,0 мм).

Известно, что высокими конструкционными, функциональными и технологичными свойствами обладают металлы с наноструктурой (НС), размером зерен менее 100 нм. (Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ: «Академкнига», 2007. -398 с.).

Известно, что изготовление проволоки из высокоуглеродистой стали, волочением в монолитной волоке производят из катанки, имеющей мелкопластинчатую феррито-цементитного структуру (сорбит). В ходе процесса расстояние между пластинами цементита (межпластинчатое расстояние), характеризующее размер зерна, уменьшается непрерывно при увеличении накопленной степени деформации и определяется соотношением:

$$\frac{1}{S}=\frac{1}{S_0}\exp (\epsilon /2),$$

где S₀ - межпластинчатое расстояние при начальном диаметре проволоки d₀;

S - межпластинчатое расстояние на конечном диаметре проволоки d;

ε - накопленная степень деформации.

С учетом квазимонотонного характера течения металла при волочении в монолитной волоке, это соотношение выражается в следующем виде $$\frac{S}{S_0}=\frac{d}{d_0},$$

т.е. при волочении в монолитной волоке межпластинчатое расстояние пропорционально отношению диаметров проволоки до и после волочения.

При волочении в монолитной волоке деформация пластин цементита по сравнению с ферритом незначительна и пластинчатая структура сохраняется после обработки. (Битков В.В. Технология и машины для производства проволоки. Екатеринбург. УрО РАН, 2004. - 343 с.).

Однако для получения готовой проволоки с наноструктурой из сорбитизированной катанки путем постепенного изменения соотношений диаметров проволоки до и после волочения, необходимо обеспечить получение очень высоких степеней деформации.

Так, например, для получения из катанки с размером зерна 150 нм проволоки диаметром 10,00 мм с размером зерна 60 нм, необходимо обеспечить накопленную степень деформации ε=1,8. Для этого необходима катанка диаметром 25,00 мм.

Переработка такой катанки связана с большими затратами, т.к. для ее переработки необходимы значительные усилия волочения. При этом, в процессе волочения из-за неравномерности распределения деформации по сечению проволоки возможно появление трещин в центре и на поверхности проволоки, что снижает ее качество и вызывает повышенную обрывность. Кроме того, для реализации данного процесса необходимо многократное дорогостоящее волочильное оборудование большой мощности.

Для снижения усилия волочения обычно используют прием волочения через вращающиеся волоки. Так, например, известен способ волочения заготовок круглого поперечного сечения путем протягивания заготовки через ряд расположенных последовательно волок с одновременным вращением одной или нескольких волок. При данном известном способе совмещают операции тепловой и деформационной обработки. (Пат. РФ №2252091, МПК В21С 1/00).

Однако задачей данного известного способа является снижение усилия волочения за счет увеличения пластичности заготовки в нагретом состоянии и снижение за счет этого затрат на производство.

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет увеличить степень накопленной деформации за один цикл обработки и является неэффективным при получении ультрамелкозернистых (наноструктурных) материалов, поэтому известный способ не может обеспечить получение поволоки диаметром 10,00 мм с размером зерна 60 нм из высокоуглеродистой стали волочением в монолитной волоке из катанки, имеющей мелкопластинчатую феррито-цементитного структуру (сорбит).

Известен способ получения ультрамелкозернистых заготовок в пересекающихся каналах, целью которого является упрочнение металлов в процессе обработки. Способ включает деформацию заготовки из пластического материала в вертикальном и горизонтальных каналах с перемещением заготовки в последнем с подпором. При этом изменение сопротивления деформированию пластичного материала осуществляют также нагреванием и охлаждением (См. патент РФ №2277991, МПК В21 J 5/00).

Известный способ из-за технических сложностей не может быть использован для получения длинномерных наноструктурных материалов, например, проволоки диаметром 10,0 мм с размером зерна 60 нм. из высокоуглеродистой стали волочением в монолитной волоке из катанки, имеющей мелкопластинчатую феррито-цементитную структуру (сорбит).

Наиболее близким способом к заявленному изобретению является способ волочения ультрамелкозернистых полуфабрикатов волочением со сдвигом в двух конических волоках с вращением одной из них. (Патент РФ №2347633, МПК В21С 1/00).

В соответствии с этим способом для получения требуемой структуры осуществляют волочение в двух последовательно расположенных монолитных волоках. В первой неподвижной волоке осуществляется деформация с изменением диаметра проволоки, а во вращающейся второй волоке обеспечивается дополнительная деформация сдвига. При этом накопленная величина деформации за один цикл обработки в двух волоках достигает 1,5, что обеспечивает измельчение структуры.

Однако данный способ неприемлем для получения проволоки с пластинчатой феррито-цементитной структурой, так как из-за большой сдвиговой деформации происходит разрушение цементитных пластин, что вызывает охрупчивание проволоки и снижение ее физико-механических свойств.

Кроме того, во вращающейся волоке со смещенным конусом наблюдается высокая дополнительная неравномерность деформации, в связи с чем появляется вероятность среза проволоки в месте стыка волок и растет усилие волочения.

При этом технологическая схема для осуществления способа по прототипу сложна. Все это делает предложенный процесс малотехнологичным и сложным при промышленном производстве проволоки.

Задачей изобретения является повышение физико-механических свойств проволоки путем получения наноструктурного состояния, при одновременном снижении затрат на ее производство.

Поставленная задача достигается тем, что при получении из высокоуглеродистой стали проволоки с наноструктурой путем деформации заготовки приложением тянущей силы с одновременным приложением дополнительной деформации сдвига вращением, величину деформации сдвига устанавливают изменением величины угла подъема винтовой линии вращения, которую определяют по формуле:

$$\gamma =90\cdot {\left(\frac{S\cdot d_0}{S_0\cdot d}\right)}^2,$$

где γ - величина угла подъема винтовой линии вращения;

S₀ - межпластинчатое расстояние в заготовке;

d₀ - диаметр заготовки;

S - межпластинчатое расстояние в готовой проволоке после обработки;

d - диаметр готовой проволоки после обработки,

причем величину угла подъема винтовой линии вращения за один проход устанавливают в пределах 2-10° при суммарном угле подъема не более 50.

Предлагаемый способ волочения проволоки путем деформации с приложением тянущей силы в сочетании с одновременным приложением деформации сдвигом позволяет получить проволоку с наноструктурой. Выбранные пределы величины угла подъема винтовой линии вращения обеспечивают необходимую величину накопленной деформации и соответственно получение в проволоке наноструктурного состояния, при одновременном снижении затрат на ее производство.

Пример конкретного выполнения способа.

По заказу ОАО «ММК-МЕТИЗ» был проведен сравнительный анализ заявляемого способа и способа получения проволоки с применением монолитных волок.

Заготовку из катанки, имеющей сорбитную структуру с размером зерна 180 нм., обрабатывали по маршруту:

16,00→14,25→12,85→11,73→10,80→10.00.

В процессе технологии была получена готовая проволока с размером зерна 112 нм. При этом суммарное усилие волочения составило 3550 Н, а накопленная степень деформации 0,94.

По этому же маршруту при волочении проволоки из катанки, имеющей сорбитную структуру с размером зерна 180 нм, в роликовых волоках с применением предлагаемого способа, при среднем угле подъема винтовой линии вращения за один проход 9 градусов, была получена проволока с размером зерна 80 нм. При этом цементитные пластины не разрушились и приобрели форму вытянутой спирали. Суммарное усилие волочения составило 1400 Н, а степень накопленной деформации 3,1.

При волочении проволоки по этому же маршруту известным способом в монолитной волоке из катанки с межпластинчатым расстоянием 100 нм, была получена проволока с межпластинчатым расстоянием 62 нм, усилие волочения составило 3550 Н, а при волочении с применением предлагаемого способа при угле подъема винтовой линии вращения за один проход 9 градусов была получена проволока с межпластинчатым расстоянием 45 нм, при этом суммарное усилие волочения составило 1400 Н, а степень накопленной деформации 3,1.

При волочении с углом подъема винтовой линии вращения за один проход 10 градусов, из катанки диаметром 15,00 мм с межпластинчатым расстоянием 180 нм за четыре прохода была получена проволока диаметром 10,00 мм с межпластинчатым расстоянием 80 нм.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Значение угла у	S межпластинчатое расстояние в готовой проволоке, нм	Суммарно е усилие волочения за передел, Н	ε - накопленная степень деформации.	Примечание
за проход	Запередел (суммарное)	вытяжки	кручения	общая
1	5	113,00	1400	0,94	1,11	2,05	Крупное зерно
2	10	92,7	1400	0,94	1,29	2,23	Нанозерно, пластинчатый цементит
4	20	76,6	1400	0,94	1,67	2,61	Нанозерно, пластинчатый цементит
8	40	48,9	1400	0,94	2,57	3,51	Нанозерно, пластинчатый цементит
10	50	37,2	1400	0,94	3,11	4,05	Нанозерно, пластинчатый цементит
11	55	Не определяется	1400	0,94	3,42	4,36	Пластины цементита разрушены

Из приведенных данных таблицы видно, что оптимальное значение угла подъема винтовой линии вращения за проход для получения наноструктурного состояния проволоки и исключения разрушения пластин цементита находится в пределах 2-10° при суммарном его значении не более 50, энергозатраты на получение проволоки предлагаемым способом снижены по сравнению с процессом волочения в монолитной волоке примерно в 2,5 раза.

Способ получения проволоки из высокоуглеродистой стали с наноструктурой, включающий деформацию заготовки путем приложения тянущего усилия с одновременным приложением дополнительной деформации сдвига вращением, отличающийся тем, что величину деформации сдвига вращением устанавливают посредством изменения величины угла подъема винтовой линии вращения, величину которого определяют по формуле:
$$\gamma =90\cdot {\left(\frac{S\cdot d_0}{S_0\cdot d}\right)}^2$$
где γ - величина угла подъема винтовой линии вращения;
S₀ - расстояние между пластинами цементита в стали заготовки;
d₀ - диаметр заготовки;
S - расстояние между пластинами цементита в стали готовой проволоки;
d - диаметр готовой проволоки, причем величину угла подъема винтовой линии вращения за один проход устанавливают в пределах 2-10° при суммарном угле подъема не более 50°.