Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка процесса изготовления проволоки из низкоуглеродистой стали повышенной прочности и износостойкости совмещенным методом волочения со сдвигом Рааб Арсений Георгиевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Рааб Арсений Георгиевич. Разработка процесса изготовления проволоки из низкоуглеродистой стали повышенной прочности и износостойкости совмещенным методом волочения со сдвигом: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.16.05 / Рааб Арсений Георгиевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова], 2018

Введение к работе

Актуальность работы.

Стальная катанка, проволока и изделия из неё (арматура, канаты, пружины, металлические сетки и т.п.) находят массовое применение и определяют эффективность работы многих сложных машин и конструкций. В условиях рыночной экономики большое значение приобретает повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции, определяемой рациональным соотношением «цена-качество». В этой связи необходимо разрабатывать более эффективные пути повышения конструкционных и эксплуатационных свойств материала за счет совершенствования режимов деформации и создания новых способов обработки. Существующие промышленные способы обработки металлов давлением (ОМД), а также процессы высокотемпературной обработки не позволяют активно влиять на уровень механических свойств традиционных конструкционных материалов. Процессы холодной обработки, применяемые для массового производства высокопрочной продукции, такие как прокатка и волочение, активно упрочняют металлические материалы, однако, имеют ряд ограничений, связанных с деформационной способностью материалов. Поэтому разработка новых процессов получения высокопрочных материалов является актуальной и перспективной для ускоренного развития производства. Особый интерес представляют процессы пластического структурообразования, позволяющие формировать в конструкционных материалах мелкодисперсную структуру, приводящую к заметному повышению их прочности, износостойкости, сопротивлению усталости и т.д. В этой связи активно развивается научное направление по созданию в сталях ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с размером зерен менее одного микрона. Причем, наиболее эффективно измельчают структуру до УМЗ и даже наноструктурного состояний методы интенсивной пластической деформации (ИПД), преимущественно реализующие схему простого сдвига в условиях многоцикловой обработки с суммарной степенью накопленной деформации более 3. Получение такого типа структуры позволяет в разы повышать прочностные характеристики металлических материалов, однако, несмотря на многочисленные разработки, современные способы ИПД обладают рядом существенных ограничений, прежде всего в аспекте непрерывности и производительности технологических схем. Поэтому поиск высокопроизводительных схем формирования УМЗ структуры в металлах на базе традиционных процессов ОМД является важным этапом дальнейшего развития процессов ИПД. Например, метод волочения в силу квазимонотонного характера течения материала не обеспечивает эффективного формирования УМЗ структуры материалов, однако обладает высокой производительностью. Поэтому остается важной задачей совершенствования схем волочения для получения новых металлических материалов и новых видов продукции, в частности, высокопрочной низкоуглеродистой проволоки с УМЗ структурой для широкого применения. Использование дешевых низкоуглеродистых сталей для получения высокопрочных полуфабрикатов и изделий с характеристиками, максимально близкими к высокоуглеродистым или низколегированным сталям, позволит обеспечить конкурентоспособность и экономическую эффективность таких технологий. Таким образом, разработка научно-обоснованных технологических и технических решений в области производства длинномерных изделий из традиционных конструкционных материалов с улучшенными свойствами методами ИПД и их внедрение в производство являются важной и актуальной задачей для металлургической и других отраслей промышленности РФ.

Работа частично выполнена в рамках госзадания Министерства образования и науки Российской Федерации № 11.12.35.2017/ПЧ и гранта РФФИ № 17-08-00720/18.

Степень разработанности

Диссертация является законченным научным трудом, в котором решена актуальная задача повышения механических и эксплуатационных свойств низкоуглеродистой проволоки, на

примере стали марки 10, за счет создания новой совмещенной схемы напряженно-деформированного состояния и разработки научно-обоснованных технических решений.

Теория и практике схем волочения наиболее подробно рассмотрена в работах Г.Л. Колмогорова, И.Л. Перлина, М.З. Ерманка и др. Теоретические основы эффективности процессов с использованием сдвиговых схем обработки и конечно-элементное исследование методов ИПД проведено в работах В.М. Сегала, А.И. Рудского, В.С. Юсупова, Е.Н. Сосенушкина, Ф.З. Утя-шева, А.В. Боткина и др. Теоретические аспекты особенностей формирования УМЗ структур в металлических материалах в условиях ИПД разработаны и рассмотрены в работах Р.З. Валиева, С.В. Добаткина, Г.А. Салищева, В.Н. Чувильдеева и др., ряда зарубежных ученых Г. Гляйтера, Т.Г. Ленгдона, Ю. Жу и др.

Цель работы: разработка нового непрерывного метода деформирования с использованием принципов интенсивной пластической деформации на основе совмещения в очаге деформации технологических схем волочения и кручения (поперечного сдвига) для повышения механических и эксплуатационных свойств проволоки из низкоуглеродистой стали.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

  1. Анализ особенностей технологических схем пластической обработки, включая методы интенсивной пластической деформации, обеспечивающих повышение прочностных свойств конструкционных металлов и сплавов.

  2. Разработка непрерывного метода на основе совмещения волочения со сдвигом, исследование напряженно-деформированного состояния проволоки из низкоуглеродистой стали для рационализации режимов обработки и установления взаимосвязи варьируемых и зависимых параметров процесса.

  3. Конструирование устройства и формообразующего инструмента для реализации совмещения волочения со сдвигом, проведение экспериментальных исследований особенностей формируемой структуры, механических и эксплуатационных свойств проволоки из низкоуглеродистой стали.

  4. Оценка инновационной перспективы использования совмещенной схемы обработки волочением со сдвигом для получения промышленной продукции в виде проволоки из низкоуглеродистой стали с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами.

Научная новизна:

  1. Впервые получены аналитические зависимости, определяющие условия сдвиговой деформации при совмещении обработки волочением со сдвигом и выведена формула, позволяющая рассчитать крутящий момент сдвига с учетом вклада упругой и пластической составляющих деформации.

  2. Научно обоснован новый непрерывный метод «Волочение со сдвигом», отличающийся совмещением в одной операции схем растяжения и сдвига и приводящий к более интенсивному по сравнению с традиционным волочением повышению до 10% прочности проволоки из низкоуглеродистой стали 10 за счет интенсификации измельчения исходной структуры.

  3. Установлена существенная неоднородность накопления деформации в сечении круглой заготовки (проволоки) после одного прохода обработки методом «Волочение со сдвигом», причем периферийные области накапливают деформацию в 2,5-3 раза интенсивней, что является причиной формирования структуры градиентного типа.

  4. Установлено, что на поверхности проволоки из низкоуглеродистой стали 10 после волочения со сдвигом формируется сверхтвердый слой толщиной до 140 мкм с прочностью до 7 ГПа.

  5. Установлено, что формирование градиентной структуры в низкоуглеродистой проволоке из стали 10 полученной с использованием метода «Волочение со сдвигом» приводит к повышению на 15-25% сопротивления износу в условиях взаимного контактного сухого трения

по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте вытяжки и других условий эксперимента.

Теоретическая и практическая значимость работы

  1. Разработана методика теоретического расчета рабочего момента, обеспечивающего кручение заготовки в несимметричной конусной волоке учитывающая упругую и пластическую составляющие в суммарной деформации скручиваемого стержня.

  2. Разработан новый метод «Волочение со сдвигом» и устройство для получения длинномерных полуфабрикатов (прутков, проволоки) из низкоуглеродистой стали (патенты РФ № 2347632 и №2347633) с повышенной прочностью за счет интенсификации накопления деформации за один проход и измельчения исходной структуры.

  3. Разработаны и практически опробованы конструкция устройства и формообразующий инструмент для реализации метода «Волочение со сдвигом», обеспечивающие повышение механических свойств по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте вытяжки.

  4. Разработаны режимы получения проволоки из низкоуглеродистой стали 10 после обработки волочением со сдвигом с более высокими на 10-12 % пределом прочности на растяжение и на 25% сопротивлением поверхностному износу по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте вытяжки.

  5. Определено влияние технологических параметров метода «Волочения со сдвигом» на величину накапливаемой интенсивности деформации. Установлено, что при волочении со сдвигом силы, действующие на инструмент, снижаются до 2 раз по сравнению с традиционным волочением.

Методология и методы исследований

Исследование напряженно-деформированного состояния металла исследуемого метода «Волочение со сдвигом» осуществлялось с применением современного метода конечных элементов в программном комплексе DEFORM-3D. Исследование параметров структуры проводили с использованием передовых методик просвечивающей микроскопии. Исследование механических свойств проводили в соответствии со стандартами на методы испытаний и с использованием сертифицированного оборудования

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Аналитическая зависимость для численного определения момента, обеспечивающего деформацию поперечным сдвигом с учетом упругих и пластических деформаций.

  2. Непрерывный метод «Волочение со сдвигом», конструкция устройства и формообразующего инструмента для его осуществления, позволяющие получать проволоку из низкоуглеродистой стали с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами.

  3. Взаимосвязь между формированием в проволоке, полученной методом «Волочение со сдвигом» и последующей пластической обработкой, прочностных и износостойких свойств, интенсивностью распределения накопленной деформации и особенностями структурного состояния.

Степень достоверности

Обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций и результатов исследования подтверждена анализом современных тенденций развития методов интенсивной пластической деформации, использованием основных закономерностей структурообразования и формирования механических свойств низкоуглеродистой стали при совмещении методов обработки металлов давлением.

Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и результатов исследования подтверждена использованием современного оборудования, методов исследований и обработки результатов экспериментов, расчетов, которые хорошо согласуются с известными работами по тематике рассматриваемого исследования.

Апробация результатов диссертационного исследования

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах: Международный симпозиум «Bulk nanostructured materials: from fundamental to innovations» (г. Уфа, 2009 г.); Третья Всероссийская конференция по наномате-риалам НАНО - 2009 (г. Екатеринбург, 2009 г.); 68 Межрегиональная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2010 г.), Международная научно-техническая конференция «Современные достижения в теории и технологии обработки металлов» ( г. Санкт-Петербург, 2011 г.); IV Всероссийская конференция по наноматериалам (г. Москва, 2011 г.); Школа – конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (г. Уфа, 2012 г.); Международная конференция «The 141-st TMS Annual Meeting&Exhibition» (США, 2012 г.); V Всероссийская конференция по наноматериалам (г. Звенигород, 2013 г.); VI Международная конференция по наномате-риалам «NanoSPD6» (г. Метц, Франция, 2014 г.); 5-й Международный симпозиум «Bulk nanostructured materials: from fundamental to innovations» (г. Уфа, 2015 г.); X Российская научно-техническая конференция «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2016 г.); Международная конференция «Magnitogorsk rolling practice» (г. Магнитогорск, 2016 г.); III International scientific conference «Material science» (г. Варна, Болгария, 2017г.); XV International scientific conference «Ma-chines, Technologies, Materials» (Болгария, г. Боровец, 2018 г.); The 147-st TMS Annual Meet-ing&Exhibition» (США, 2018 г.).

Внедрение результатов диссертационных исследований

Результаты диссертации отражены в 27 публикациях, из них 3 научные статьи опубликованы в рецензируемых научных изданиях ВАК РФ, 4 статьи проиндексированы в наукометрических базах данных Web of Science и Scopus, 3 патента Российской Федерации на изобретения.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и 4 приложений, содержит 54 рисунка, 11 таблиц; изложена на 121 страницах машинописного текста.