РАЗРАБОТКА НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Соколов Р.Е., Первухин М.В.,
Загиров Н.Н., Лопатина Е.С., Ворошилов Д.С., Беляев С.В.
(Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, РФ)
The results of the experimental and theoretical researches of process of receipt welded wire from alloy AK12 with application of methods of complex treatment have been stated. The possibility of plastic deformation of silumins with use of new devices of complex rolling-extruding from cast billet that was receipt from electromagnetic crystallizer has been shown.
Применение новых технических решений [1] для получения деформированных полуфабрикатов совмещенными методами из алюминиевых сплавов, которые трудно поддаются обработке давлением, но широко применяются в машиностроении, возможно, если использовать для получения литой заготовки электромагнитный кристаллизатор (ЭМК). При этом возможно получение деформированных полуфабрикатов с небольшим поперечным сечением (прутков, проволоки) из различных алюминиевых сплавов по технологической схеме, существенно отличающейся от традиционных технологий. Продемонстрируем это на примере получения проволоки из алюминиевого сплава АК12.
Анализ научно-технической литературы показал, что в настоящее время промышленной технологии производства сварочной проволоки из силуминов, применяемой, например, при пайке радиаторов различных машин, не существует. Имеются лишь научные разработки [2], в которых предлагается использовать комплексное легирование алюминиево-кремниевых сплавов в сочетании с повышенными скоростями охлаждения при литье заготовок. На этот способ получения заготовок имеется техническое решение, защищенное патентом [3]. Однако такой способ технологически выгоден при больших объемах производства продукции и достаточно трудоемок, так как включает большое количество металлургических переделов с использованием многочисленных операций термообработки. При этом этап технологического передела получения литой заготовки диаметром 162-215 мм с применением комплексного легирования при полунепрерывном литье [2] может быть заменен получением заготовки диаметром 15 мм с помощью электромагнитного кристаллизатора (рис. 1).
Проведенные исследования дали возможность сделать вывод, что мелкозернистая структура полученных с помощью ЭМК литых заготовок обеспечивает последующую горячую и холодную с обработку с заданными степенями деформации. Поэтому совмещенная прокатка-прессование, а затем волочение до заданного размера проволоки по предлагаемой технологии проводились без промежуточных отжигов. Это в значительной степени снижает энерго- и трудозатраты на производство проволоки и, не требует мощного оборудования, в качестве которого используются горизонтальные гидравлические прессы.
а
б
Рисунок 1 – Технологическая схема, предложенная в работе [2] (а),
и новая схема с применением совмещенной обработки (б)
Предлагаемая же технологическая схема предполагает осуществление непрерывного процесса изготовления заготовки для волочения, даже, если литые заготовки не будут длинномерными. Эта специфика применения способа непрерывного прессования СПП позволяет получать заготовку для волочения этим методом путем подачи одной за другой и сварки дискретных литых заготовок встык в очаге деформации.
Исследования были направлены на решение следующих задач:
- разработка новой технологии обработки силуминов на базе применения литья в ЭМК и реализации процесса получения заготовки для волочения способом совмещенной прокатки-прессования;
- проектирование установки, применение которой позволяет добиться снижения затрат энергии на тонну готовой продукции;
- уменьшение числа технологических переделов в сравнении с предложенной технологией в соответствии с техническим решением [3];
- минимизация затрат на производство и эксплуатацию оборудования и изготовление инструмента;
- расширение технологических возможностей применения СПП за счет увеличения номенклатуры пресс-изделий небольшого сечения.
Базовым техническим решением для реализации поставленных задач стало изобретение [4], на основе которого была спроектирована и собрана опытная установка, в состав которой входило следующее оборудование: электромагнитный кристаллизатор, печь для нагрева заготовок, печь для нагрева валков, установка совмещенной прокатки-прессования СПП 200 и ручная моталка. Для получения проволоки заданного диаметра применялся цепной волочильный стан, технические характеристики которого приведены в таблице 1.
Установка СПП 200 состояла из электродвигателя, редуктора, шестеренной и прокатной клетей, закрепленных на массивной станине, и матричного узла с прижимным устройством (рисунок 2).
Таблица 1 – Технические характеристики волочильного стана
|
Характеристики |
Значения характеристик |
|
Количество ниток, шт. |
1 |
|
Сила волочения, кН |
50 |
|
Скорость волочения, м/с. |
0,17 |
|
Потребляемая мощность, кВт |
25 |
|
Габаритные размеры, мм |
3000*1800*1300 |
Проведенные ранее расчеты и замеры энергосиловых параметров процесса СПП позволили рекомендовать максимально допустимое усилие поджима матрицы к валкам, которое составило 300 кН, и на которое и были рассчитаны основные узлы спроектированной установки.
В процессе разработки технологии были отработаны различные режимы получения литых и деформированных полуфабрикатов из сплавов АК5 и АК12. При этом варьируемыми факторами являлись: температура расплава и скорость литья, температура нагрева заготовок перед деформацией, степень вытяжки и скорость деформации. Для оценки энергозатрат фиксировались силовые параметры процесса СПП.
1 – станина, 2 – прокатная клеть, 3 – валок с ручьем, 4 – матрица,
5 – валок с выступом, 6 – матрицедержатель; 7 – прижим; 8 – склиз
Рисунок 2 – Схема установки СПП 200
Реализации технологии получения проволоки включала следующие переделы и виды работ.
1. Получение литой заготовки с помощью ЭМК с контролем его структуры и свойств.
2. Подготовка установки СПП 200 к исследованиям, которая заключалась в установке спроектированного и изготовленного валкового, инструментального и прижимного узлов, а также выверке инструмента, для чего проверяли биение валков, фиксировали прижим матрицы к валкам и, после запуска установки, осуществляли притирку матрицы к валкам при заданной скорости вращения валков.
3. Нагрев инструмента и заготовки, при этом нагрев рабочих валков и матрицы до температуры 100 °С осуществлялся при помощи электрической печи специальной конструкции, которая была выполнена в виде кожуха с установленными внутри нихромовыми спиралями, а заготовки также нагревали в электрической камерной печи.
4. Деформация металла, для чего нагретые заготовки задавали в калибр валков и в процессе прокатки-прессования фиксировали с помощью тензометрической аппаратуры силы, действующие на матричный узел и валки, после чего осуществляли измерения размеров прутка по его длине, визуально оценивали качество поверхности и исследовали макро- и микроструктуру прутка.
5. Волочение прессованной заготовки, которое проводили на заданный размер 2 мм с отбором образцов для механических испытаний и металлографических исследований.
Исходными заготовками при проведении исследований служили слитки из сплава АК12 с диаметром от 15 до 18 мм и длиной около 1000 мм, полученные методом литья в электромагнитный кристаллизатор, из которых получали горячепрессованные прутки, а затем проволоку различного диаметра.
На первом этапе разработки технологии ставилась цель проверить принципиальную возможность реализации процесса прокатки-прессования силуминов при заданных параметрах технологического процесса. Для этого была предпринята попытка деформации одной заготовки длиной около 250 мм из сплава АК12, нагретой до температуры: Т=550° С. В результате этого опыта был получен пруток диаметром 9 мм и длиной более 60 0 мм. После разборки матричного узла с целью извлечения пресс-остатка был обнаружен дефект в виде затекания металла в зазор между матрицей и гребнем валка с выступом, возникший по причине упругой деформации подкладной плиты, на которой был установлен матричный узел. Для устранения данного дефекта были предприняты меры по увеличению жесткости конструкции установки.
На втором этапе опытов была предпринята попытка последовательной обработки нескольких заготовок с целью получения пресс-изделий большой длины за счет сваривания заготовок между собой в очаге деформации. Для этого в печи одновременно были нагреты 3 заготовки диаметром 16,7 мм из сплава АК12, и поочередно подвергнуты деформации. В результате чего было получено пресс-изделие диаметром 4 мм с высоким качеством сварного шва длиной более 1,5 метров.
Третий этап заключался в подборе оптимальных технологических режимов СПП обработки сплава АК12 и изготовлении опытной партии сварочной проволоки марки Св АК12 с диаметром поперечного сечения от 1,4 до 2 мм. В результате были определены следующие оптимальные значения параметров процесса СПП: температура заготовки – Т=550° С; скорость вращения валков – 4 об/мин, при этом скорость деформации металла составила – ξ=0,74, с-1; суммарная вытяжка – µ=7,3, при этом диаметр получаемого прутка составлял 6,8 мм. Полученные горячепрессованные прутки были подвергнуты холодному волочению до получения конечного изделия в виде проволоки с диаметром 1,4 – 2,0 мм. В процессе волочения на последних переходах были отобраны образцы для механических испытаний, результаты которых представлены в таблице 2.
На четвертом этапе была произведены опытная партии сварочной проволоки Св АК12 диаметром 1,4 - 2 мм, полученная по отработанной технологии. Для производства проволоки диаметром 2 мм (см. табл. 2) пришлось осуществить промежуточный отжиг при температуре 4000С и времени выдержки 1 час для повышения пластических свойств. Использование проволоки для пайки деталей из алюминиевых сплавов проводилось на ФГУП «Научно-производственное объединение «Прикладная механика» им. академика Решетнева (г. Железногорск). Проволока была передана заказчику для промышленной апробации, в результате которой было установлено, что данная продукция пригодна для пайки волноводных трактов из алюминиевых сплавов и соответствует требованиям ТУ 1-808-274-2003.
Таблица 2– Результаты механических испытаний полуфабрикатов сплава АК12
|
Сплав, состояние
|
Диаметр образца, мм |
Данные испытаний |
|||
|
Относительное удлинение, %. |
Усилие разрыва образца, кН |
Временное сопротивление разрыву, МПа |
Степень деформации, % |
||
|
АК12, литое |
16,7 |
14,8 |
3,6 |
290,8 |
- |
|
15,0 |
14,8 |
3,5 |
278,5 |
- |
|
|
АК12, горячепрессованное |
4,0 |
13,3 |
3,2 |
250,6 |
84,8 |
|
13,8 |
2,8 |
280,3 |
84,8 |
||
|
6,8 |
13,3 |
3,0 |
250,7 |
83,4 |
|
|
9,0 |
20,2 |
2,5 |
201,1 |
63,9 |
|
|
АК12, после волочения |
4,3 |
11,0 |
5,1 |
347,7 |
94,2 |
|
- |
5,0 |
344,3 |
94,2 |
||
|
3,6 |
10,1 |
3,8 |
373,3 |
96,0 |
|
|
10,3 |
3,6 |
353,6 |
96,0 |
||
|
3,3 |
7,2 |
3,5 |
409,2 |
96,6 |
|
|
7,0 |
3,5 |
409,2 |
96,6 |
||
|
3,0 |
4,2 |
3,1 |
438,6 |
97,2 |
|
|
4,4 |
2,9 |
410,2 |
97,2 |
||
|
2,6 |
3,1 |
2,2 |
414,3 |
97,9 |
|
|
2,9 |
2,3 |
433,2 |
97,9 |
||
|
2,0 |
1,6 |
1,4 |
445,6 |
98,7 |
|
|
1,4 |
1,5 |
477,5 |
98,7 |
||
|
2,0 (после отжига) |
7,3 |
1,2 |
235,6 |
98,7 |
|
|
1,6 |
5,2 |
1,0 |
497,3 |
99,2 |
|
|
1,4 |
3,8 |
0,8 |
519,7 |
99,2 |
|
Таким образом, в результате проведенных исследований, была разработана и внедрена новая технология производства сварочной проволоки из силуминов с высоким уровнем пластических свойств на основе применения совмещенных методов обработки металлов давлением. Использование таких технологий позволяет существенно снизить себестоимость производства продукции из алюминиевых сплавов за счет минимизации количества операций и применения непрерывных методов обработки.
Работа выполнена при поддержке Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности.
Литература
1. Sidelnikov S.B. Modeling and developing processes of integrated aluminum and aluminum alloys processing based on the methods of continuous casting, rolling and extrusion / S.B.Sidelnikov, N.N.Dovgenko, I.N.Dovgenko //Новые материалы и технологии в машиностроении: Сб. науч. трудов по итогам международной НТК. Выпуск 4. – Брянск: БГИТА, 2005. -с.8-15.
2. Сидельников, С.Б.Разработка новой технологии комбинированной обработки силуминов // С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, Ю.А. Горбунов [и др.]// Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета. -Выпуск 5 (12). -Красноярск, 2006. -с. 233-235
3. Патент РФ № 2334588.Способ получения заготовок из алюминиево-кремниевых сплавов.
4. Патент РФ № 67492. Установка для непрерывного литья, прокатки и прессования металла.