Технология изготовления проволоки из сплава 01417 с заданным уровнем механических свойств

В 70-е годы прошлого столетия отечественными исследователями был разработан сплав алюминия с 7 % редкоземельных элементов (РЗМ), которые при скоростях охлаждения расплава до 104 град/с диспергируются в интерметаллидные фазы, значительно повышающие жаропрочность, коррозионную стойкость и свариваемость готовых полуфабрикатов для проводникового материала. Благодаря этому сплав применяется для изготовления бортовых проводов самолетов, работающих при температурах от минус 50 до 250 °С взамен проводов с медной жилой [1].

Технология получения проволоки из гранулированного расплава

Для обеспечения скоростей охлаждения расплава до 104 град/с вначале применялось центрифугирование гранул в воду [1]. Технологическая схема производства проволоки из гранульного материала представлена на рис. 1. Узким местом этой схемы является получение из гранул прессованного прутка для дальнейшего волочения проволоки. Этот передел состоит из получения брикета штамповкой гильзы, заполненной гранулами, его обточки и прессования, что требовало значительных трудозатрат. При этом отходы металла в стружку и в пресс-остаток составляли 30–40 %.

Для повышения эффективности производства проволоки была спроектирована опытнопромышленная линия для непрерывного прессования методом Конформ прутка диаметром 9 мм, смонтированная на участке гранулирования цеха № 8 КраМЗа (рис. 2). Привод колеса диаметром 400 мм с трапецеидальной кольцевой канавкой поперечным сечением 350 мм [2] осуществлялся двигателем постоянного тока мощностью 75 кВт через цилиндрический редуктор с крутящим моментом на выходном валу 60 кНм. Для подачи гранул в ручей колеса использовался бункер. Скорость вращения колеса составляла 10-12 об/мин, при этом температура металла в очаге деформации достигала 420-450 °С, что позволяло вести процесс непрерывного

ГранУлирование

Сушка

Дегазация

Удаление 6 ■КИСЛОВ

ч

БрикЕтировалиie

О(л ачиваш16: брикета

Экструзия ' > —

Воло1чсние

Рис. 1. Технологическая схема получения проволоки из гранул

Fig. 1. Technological scheme for producing wire from granules

Рис. 2. Установка Конформ на участке по изготовлению прутков из гранулированных алюминиевых сплавов

Fig. 2. Conform installation at the site for the production of bars from granular aluminum alloys прессования без предварительного нагрева гранул. Установка снабжена системой принудительного охлаждения рабочего колеса и башмака проточной водой. Отпрессованный пруток поступал на моталку для смотки в бухту [3].

Внедрение в производство установки непрерывного прессования гранул позволило значительно повысить технико-экономические показатели процесса изготовления прутка: производительность, выход годного и т.д., и уменьшить его себестоимость в 5-6 раз.

Однако волочение из прессованного прутка проволоки малого диаметра, необходимой для производства бортовых проводов, проходило с периодическими обрывами из-за наличия внутренних дефектов заготовки, связанных с наследственным влиянием поверхностей гранул [4].

Технология получения проволоки из заготовок малого сечения с измельченной структурой

Для получения из сплавов системы Al-РЗМ заготовок малого сечения с измельченной структурой, которые были бы свободны от недостатков материалов, получаемых методами гранульной технологии, предложено использование непрерывного литья прутковых заготовок малых сечений в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК) [5], смонтированный в ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики». Литьем длинномерных прутков малого сечения ( ∅ 8-12 мм) из сплава 01417 в ЭМК достигается получение дисперсной структуры с незначительной внутри-дендритной ликвацией, гарантирующей высокий уровень механических свойств [6].

При волочении из них проволоки на предприятиях ООО «Авиаль», АО ««Электрокабель» Кольчугинский завод» и ООО «Альянс 2008» было установлено, что без предварительного гомогенизирующего отжига волочение слитков сплава 01417 даже с небольшой степенью дендритной ликвации затруднено.

В лабораторных условиях был подобран режим гомогенизационного отжига слитков (550 °С, время выдержки 4-5 ч), после которого на месте бывших эвтектических колоний в результате вырождения эвтектики образовались скопления дисперсных алюминидов РЗМ. В результате была устранена внутрикристаллитная ликвация и понижен уровень внутренних напряжений в металле, что обеспечило условия для получения проволоки ∅ 0,5 мм по технологической схеме, представленной в табл. 1.

В заготовке, полученной литьем в ЭМК, наблюдается неравномерность размеров поперечного сечения, что является причиной обрывов на первом переходе, а при волочении на ∅ 0,5 мм применяется три промежуточных отжига в сочетании с гомогенизацией заготовки.

На поставку проволоки для проводов выпущено техническое условие ТУ 1-809-1038-96. В соответствии с ним временное сопротивление разрыву в отожженном состоянии должно составлять не менее 157 МПа, в нагартованном состоянии – не менее 196 МПа, относительное удлинение не менее 8 и не менее 5 % соответственно. Результаты испытания механических свойств готовой проволоки показали, что их уровень не всегда соответствует этим требованиям.

Технология получения проволоки с применением непрерывного прессования прутковой заготовки

Из анализа вышеприведенных технологических схем следует, что для устранения присущих им недостатков целесообразно при производстве проволоки из алюминиевого сплава – 845 –

Таблица 1. Технологическая схема изготовления проволоки ∅ 0,5 мм из заготовки, полученной литьем в электромагнитный кристаллизатор

Table 1. Technological scheme for the manufacture of wire ∅ 0,5 mm from a workpiece obtained by casting in an electromagnetic mold

Сплав 01417		Степень деформации, %
Гомогенизация заготовки	Т гом 550 °С, охлаждение медленное с печью, далее на воздухе. Выход на режим 3-4 ч, по закладной термопаре, выдержка 5 ч
Волочение	12→10,9→10,0→9,0→8,0→7,0→6,0→5,0	82,6
Отжиг	Тотж 420 °С, охлаждение на воздухе. Выход на режим 4 ч, выдержка 1 ч
Волочение	5,0→4,45→4,0→3,6→3,0→2,6→2,25→2,0	84,0
Отжиг	Т отж 420 °С, охлаждение на воздухе. Выход на режим 4 ч, выдержка 1 ч
Волочение	2,0→1,8→1,6→1,4→1,2→1,0	75,0
Отжиг	Тотж 420 °С, охлаждение на воздухе. Выход на режим 4 ч, выдержка 1 ч
Волочение	1,0→0,9→0,8→0,73→0,66→0,59→0,54→0,5	75,0
Отжиг

01417 применить схему, включающую литье в ЭМК заготовки и ее непрерывное прессование на установке Конформ.

Для проведения серии экспериментов по исследованию режимов непрерывного прессования отлитого в ЭМК прутка ∅ 12 мм для волочения проволоки ∅ 5 мм использовалась установка [7], смонтированная в лаборатории ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики». Прессовый узел и технические характеристики установки приведены на рис. 3 и в табл. 2.

Методика проведения экспериментов и полученные результаты по исследованию режимов непрерывного прессования прутка ∅ 12 мм подробно описаны в работах [8, 9].

Рис. 3. Опытная установка Конформ ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» [7]

Fig. 3. Pilot installation of Conform LLC “ SPC of Magnetic Hydrodynamics ” [7]

Таблица 2. Технические характеристики опытной установки Конформ

Table 2. Specifications pilot plant Conform

Рис. 4. Технологическая схема получения проволоки из сплава 01417

Fig. 4. Technological scheme for producing wire from alloy 01417

В дальнейшем отпрессованную заготовку без гомогенизации подвергали волочению на ∅ 0,5 мм в условиях ООО «Альянс 2008» за 19 проходов без промежуточных отжигов проволоки. Технологическая схема изготовления проволоки, включающая литье прутка в ЭМК, непрерывное прессование на опытной установке Конформ и волочение, показана на рис. 4.

Следует заметить, что в этой схеме отсутствует отжиг отпрессованного прутка перед волочением.

Эксперименты по исследованию режимов отжига проволоки

Для обеспечения свойств проволоки ∅ 0,5 мм, полученной по указанной схеме, соответствующих требованиям ТУ-1-809-1038-2018, можно использовать два варианта. Первый – перед заключительными проходами волочения проволоки провести промежуточный отжиг с последующим упрочнением таким образом, чтобы временное сопротивление разрыву и относительное удлинение находились в пределах нормы для нагартованного состояния. Второй – выявить режимы финишного отжига на ∅ 0,5 мм, при которых временное сопротивление разрыву и относительное удлинение находились бы в пределах нормы для нагартованного и отожженного состояний.

Очевидно, что второй вариант предпочтительнее первого. Поэтому проведена серия опытов для построения регрессионной модели зависимости временного сопротивления разрыву (σ в ) и относительного удлинения (δ) от времени (τ) выдержки и температуры (t) отжига прово- – 847 –

Таблица 3. Условия эксперимента

Table 3. Experimental conditions

Уровень фактора	t, °С	τ, мин.
Основной Хi = 0	500	60
Интервал варьирования ∆xi	50	20
Нижний Хi = -1	450	40
Верхний Хi = +1	— 550	80
Кодовые обозначения	X1	X2

Таблица 4. План эксперимента σ в = σ в ( t , τ)

Table 4. Experiment Plan σ_в = σ_в( t , τ)

Номер опыта V 1 X2 X1X2 Параллельные опыты σв, МПа yj 02 yˆj (y J - yJ )2 y1 y2 y3 1 + + + 210 210 215 211.7 8.3 211.7 0.00 2 – – + 221 212 208 213.7 44.3 213.7 0.00 3 + – 171 175 171 172.3 5.3 172.3 0.00 4 — + — 203 204 203 203.3 0.3 203.3 0.00 ∑ 58.3 5 0 0 0 199 202 201 200.7 2.3 200.3 0.17 локи после волочения на ∅0,5 мм. Результаты предварительных опытов позволили определить интервалы варьирования этих факторов: t = 450 – 550 °С; τ = 40 – 80 мин.

В табл. 3 приведены интервалы варьирования для проведения опытов для составления матрицы полного факторного эксперимента.

Временное сопротивление разрыву отожженных образцов определяли в соответствии с ГОСТ 10446 на машине LFM-100 в соответствии с ГОСТ 10446. Полученные результаты занесены в табл. 4.

Результаты обработки экспериментальных данных

В результате обработки по стандартной методике [10] данных табл. 4 получено уравнение регрессии:

y = 200,25 - 8,25 X, + 12,42 X ₂ + 7,25 X ₃,

1  23

которое при переходе от кодированных значений факторов к натуральным принимает вид

f t f 1 - 500       4?fT- 60 о □ = 200,25 8,25 1          1 1 12,42 1 50             20 , = 462,99 - 0,6 1 - 3,000415 • т + 0,00725 • t • т .

f 1 - 500 ^Гт- 60 ) 1 , I 50 Л 20 Г

Аналогичным образом получено уравнение регрессии, показывающее зависимость относительного удлинения (δ) от времени (τ) выдержки и температуры (t) отжига проволоки.

5 = 9,65 + 1,25 ^ t 500 ) - 2,4 ^ -

I 50 J 4

- 60 ^ + ₂₁₃₃ Г t - 500 Y T - 60 ^

20 )   , I 50 Л 20 J

= 67,89 - 0,1022 1 - 1,1735 ■ т + 0,00211 ■ t -г .

По экспериментальным и рассчитанным по уравнениям регрессии данным на рис. 5 построен график зависимости временного сопротивления разрыву (σв) и относительного удлинения (δ) проволоки ∅ 0,5 мм от температуры и времени выдержки отжига.

На графиках рис. 5 видно, что расхождение теоретических и экспериментальных данных составляет не более 5 %. На основании этого делаем вывод, что уравнения регрессии можно использовать для прогнозирования свойств проволоки при финишном отжиге. Результаты исследования можно рекомендовать для промышленного использования при изготовлении проволоки из сплава 01417, соответствующей требованиям ТУ 1-809-1038-2018.

Заключение

• 1.    На основании анализа технологических схем получения проволоки из гранулированных сплавов выявлено, что при этом требуется большое количество технологических переделов, а волочение проволоки малого диаметра не стабильно вследствие периодических обрывов из-за внутренних дефектов, связанных с наследственным влиянием поверхностей гранул.

  

  Рис. 5. График зависимости временного сопротивления разрыву (σв) и относительного удлинения (δ) от температуры и времени выдержки проволоки ∅ 0,5 мм при отжиге

  
  

• 2.    Проанализирован способ получения проволоки из заготовки, полученной методом литья в электромагнитный кристаллизатор. Пруток ∅ 12 мм имеет разнотолщинность по всей длине полуфабриката от 10 до 14 мм, что приводит к обрывам при волочении проволоки на первых проходах. При волочении проволоки ∅ 0,5 мм из прутковой заготовки 12 мм за 19 переходов требуется три промежуточных отжига, что увеличивает себестоимость продукции.

• 3.    В результате использования математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии и построены графики зависимости временного сопротивления разрыву (σ в ) и относительного удлинения (δ) от температуры и времени выдержки, которые можно использовать при отжиге проволоки ∅ 0,5 мм из сплава 01417 для получения уровня механических свойств, требуемых нормами ТУ 1-809-1038-96.

Fig. 5. Graph of the dependence of the temporary tensile strength (σв) and elongation (δ) on the temperature and the exposure time of the wire ∅ 0.5 mm during annealing

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки и ООО «Научно-производственный центр магнитной гидродинамики» в рамках научного проекта № 18-48-242023 «Исследование динамических характеристик турбулентных течений расплава при электромагнитной кристаллизации и влияния ее на структуру и свойства непрерывнолитых заготовок малого сечения из новых алюминиевых сплавов для производства тонкой проволоки авиационно-космического назначения».