СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ АРМАТУРНОЙ ПРОВОЛОКИ Российский патент 2007 года по МПК B21C1/00 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении низкоуглеродистой арматурной проволоки периодического профиля для армирования железобетонных конструкций.

Известен способ изготовления арматурной проволоки из низкоуглеродистой стали, включающий горячую прокатку катанки, охлаждение, удаление окалины, волочение в монолитных волоках и профилирование (см. а.с. СССР № 761577, С21D 1/02, С21D 9/52).

Недостатками известного способа являются низкие пластические свойства готовой арматурной проволоки из-за неравномерности распределения деформации по сечению проволоки при многократном волочении с небольшими обжатиями, что приводит к охрупчиванию арматурной проволоки периодического профиля.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ изготовления арматурной проволоки из низкоуглеродистой стали, включающий горячую прокатку круглой катанки, охлаждение и удаление с ее поверхности окалины, волочение круглой проволоки, профилирование проволоки путем обжатия ее по периметру с одновременным формированием периодических выступов. При этом волочение осуществляют со степенью деформации 40-80%, а после волочения проводят отпуск при температуре 420-550°С в течение 5 с. (см. а.с. СССР № 724584, С21D 9/52).

Недостатками данного способа являются невысокие пластические свойства изготавливаемой арматурной проволоки периодического профиля из-за неравномерности пластического течения металла при волочении в продольном направлении с локализацией деформации сжатия в периферийных слоях проволоки и действием в центральных ее слоях преимущественно деформаций растяжения, интенсифицирующих трещинообразование. Неравномерность пластического течения приводит к неравномерному формированию структуры деформации, повышению уровня продольных растягивающих остаточных напряжений на поверхности проволоки. Последующее профилирование обуславливает дополнительное течение металла поверхностных слоев проволоки в продольном направлении, что приводит к дополнительному текстурообразованию поверхностных слоев, увеличению неравномерности структуры деформации по сечению проволоки и, в конечном итоге, к снижению пластических свойств и охрупчиванию проволоки. Причем снижение пластических свойств арматурной проволоки периодического профиля прогрессивно усиливается при увеличении ее диаметра.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении пластических свойств низкоуглеродистой арматурной проволоки периодического профиля путем создания по всему сечению проволоки однородной структуры деформации при одновременном формировании в ее поверхностных слоях сжимающих остаточных напряжений.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления низкоуглеродистой арматурной проволоки, включающем горячую прокатку круглой катанки из низкоуглеродистой стали, охлаждение и удаление с ее поверхности окалины, волочение и последующее профилирование круглой проволоки путем обжатия ее по периметру с одновременным формированием периодических выступов, согласно изобретению волочение круглой проволоки в каждом проходе осуществляют до диаметра, определяемого по формуле:

где d_n - диаметр проволоки в каждом n-м проходе, мм;

d_n-1 - диаметр проволоки до n-го прохода, мм;

α - полуугол рабочего канала волоки, град;

n - количество проходов,

обжатие проволоки по периметру ее поперечного сечения осуществляют плоскими участками с образованием между ними необжимаемых участков, причем ширину плоских участков задают равной 0,4-0,6 диаметра готовой проволоки, а периодические выступы формируют в виде сегментов с высотой, равной 0,05-0,1 диаметра готовой проволоки.

Известен прием волочения круглой катанки за один или несколько проходов при производстве низкоуглеродистой проволоки для обеспечения прочностных свойств проволоки или требуемых ее размеров для дальнейшего передела (см. книгу Х.С.Шахпазова, И.Н.Недовизия и др. Производство метизов - М.: Металлургия, 1972. С.65).

В заявляемом способе отличительный признак, характеризующий волочение круглой проволоки в каждом проходе до промежуточного диаметра проволоки, определяемого по заявляемой формуле, проявляет новое техническое свойство, заключающееся в обеспечении равномерности распределения напряжений и деформаций сжатия по всему сечению проволоки, а также выравнивании скоростей пластического течения металла в продольном направлении. Это способствует формированию в каждом проходе однородной равномерно распределенной структуры деформации по всему сечению проволоки и значительному снижению растягивающих напряжений в центральных ее слоях, в результате чего уже на данном этапе изготовления арматурной проволоки происходит значительное повышение пластических свойств последней.

Кроме того, выравнивание скоростей пластического течения металла в очаге деформации при волочении способствует снижению уровня продольных растягивающих остаточных напряжений в периферийных слоях изготавливаемой круглой проволоки, что создает благоприятные условия для перевода их в сжимающие остаточные напряжения при последующем профилировании и, соответственно, максимального повышения пластических свойств готовой арматурной проволоки периодического профиля.

При производстве фасонных профилей в многовалковых калибрах известен прием обжатия плоскими участками по периметру круглой проволоки (см. книгу Полякова М.Г., Никифорова Б.А., Гуна Г.С. Деформация металлов в многовалковых калибрах - М.: Металлургия, 1979. С.36). Данный технический прием предназначен для формоизменения гладкого профиля путем получения промежуточного фасонного сечения металла для последующей деформации в многовалковых калибрах. Причем режимы деформации выбирают таким образом, чтобы исключить поперечное течение металла и обеспечить максимальную вытяжную способность многовалковых калибров.

Известен прием нанесения периодического профиля в виде выступов с целью создания развитого рельефа поверхности арматурных стержней, обеспечивающего сцепление с бетоном (см. книгу Мулина Н.М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. - М. Металлургия, 1974. С.22).

В заявляемом способе отличительные признаки, характеризующие обжатие круглой проволоки по периметру ее поперечного сечения плоскими участками заданной ширины с образованием между ними необжимаемых участков и одновременным формированием периодических выступов оптимальной сегментообразной формы заданной высоты на поверхности изготавливаемой арматурной проволоки, также проявляют вышеуказанные известные технические свойства.

Однако наряду с этим отличительные признаки проявляют новое техническое свойство, заключающееся в создании в поверхностных слоях арматурной проволоки периодического профиля разнонаправленных потоков течения металла с преимущественным пластическим течением в поперечном направлении. При этом поперечное течение металла и сформированные по периметру круглой проволоки периодические сегментные выступы заданной высоты препятствуют дополнительному удлинению поверхностных слоев проволоки, находящихся после волочения под воздействием продольных растягивающих остаточных напряжений. Это снижает интенсивность текстурообразования, минимизирует упругие деформации растяжения в поверхностных слоях и формируют в последних сжимающие остаточные напряжения, что максимально повышает пластические свойства и сопротивление хрупким разрушениям готовой арматурной проволоки периодического профиля.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ изготовления низкоуглеродистой арматурной проволоки не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Способ осуществляют следующим образом.

Горячей прокаткой получают круглую катанку из низкоуглеродистой стали, которую затем охлаждают до температуры 650-1000°С. Охлаждение катанки ведут любым известным способом, например способом, описанным в книге Беняковского М.А., Богоявленского К.Н., Виткина А.И. и др. Технология прокатного производства. Кн.1. - М.: Металлургия, 1991. С.393-396.

После охлаждения с поверхности катанки удаляют окалину любым известным механическим или химическим способом, например, химическим способом, описанным в книге Красильникова Л.А. Волочильщик метизных цехов. - М.: Металлургия, 1968. С.172-174.

Затем катанку подвергают волочению до получения круглой проволоки. При этом волочение круглой проволоки осуществляют в каждом проходе до диаметра, определяемого по формуле

где d_n - диаметр проволоки в каждом n-м проходе, мм;

d_n-1 - диаметр проволоки до n-ого прохода, мм;

α - полуугол рабочего канала волоки, град;

n - количество проходов.

Полуугол α рабочего канала волоки принимают равным 3-6 град.

Волочение круглой проволоки в каждом проходе до промежуточного диаметра, определяемого по вышеуказанной формуле, обеспечивает повышение равномерности пластического течения металла в продольном направлении, приводит к возникновению в проволоке сжимающих радиальных и окружных напряжений, вызывающих образование конусообразных зон интенсивной пластической деформации сжатия, которые равномерно распространяются по сечению проволоки от периферийных к центральным слоям и смыкаются на ее оси. В результате этого структура деформации по сечению проволоки характеризуется значительной равномерностью и однородностью, а уровень продольных растягивающих остаточных напряжений на поверхности проволоки значительно снижается, что приводит к повышению пластических свойств изготавливаемой арматурной проволоки.

Кроме того, созданная в процессе волочения структурная композиция проволоки, а также характер остаточных напряжений в поверхностных ее слоях позволяют не только повысить пластические свойства проволоки на данном этапе изготовления, но и создают благоприятные условия для последующего профилирования проволоки и формирования в ее поверхностных слоях остаточных сжимающих напряжений, которые обеспечат максимальное повышение пластических свойств готовой арматурной проволоки периодического профиля.

После волочения круглую проволоку профилируют путем обжатия ее по периметру с одновременным формированием периодических выступов. При этом обжатие проволоки по периметру ее поперечного сечения осуществляют плоскими участками с образованием между ними необжимаемых участков. Ширину плоских участков задают равной 0,4-0,6 диаметра готовой проволоки. Периодические выступы формируют в виде сегментов с высотой, равной 0,05-0,1 диаметра готовой проволоки.

Профилирование круглой проволоки с вышеуказанными заявляемыми технологическим параметрами приводит к возникновению в поверхностных слоях проволоки, разнонаправленных потоков течения металла с преимущественным пластическим течением в поперечном направлении вдоль обжимаемых плоских участков, создаваемых по периметру круглой проволоки. При этом образуемые по периметру проволоки необжимаемые участки, являясь продольными барьерными зонами, способствуют стабилизации пластического течения металла вдоль обжимаемых плоских участков проволоки. Одновременно с этим создаваемые на поверхности проволоки периодические сегментообразные выступы заданной высоты, являясь поперечными барьерными зонами, также препятствуют продольному течению металла. Это снижает интенсивность текстурообразования в поверхностных слоях арматурной проволоки периодического профиля и обеспечивает перевод продольных растягивающих остаточных напряжений на поверхности проволоки в сжимающие.

Таким образом, образовавшиеся при профилировании в поверхностных слоях проволоки сжимающие остаточные напряжения в совокупности с однородной структурой деформации по всему сечению проволоки, созданной при волочении, позволяют повысить пластические свойства изготавливаемой низкоуглеродистой арматурной проволоки периодического профиля и расширить область ее применения в строительстве.

После профилирования арматурная проволока готова к использованию в железобетонных конструкциях ответственного назначения.

Профилирование круглой проволоки путем обжатия ее по периметру плоскими участками шириной меньшей, чем 0,4 диаметра готовой проволоки, приводит к возникновению на необжимаемых участках поверхности проволоки растягивающих напряжений, что увеличивает вероятность поверхностного трещинообразования и резко снижает пластические свойства арматурной проволоки периодического профиля. Профилировать круглую проволоку путем обжатия ее по периметру плоскими участками шириной большей, чем 0,6 диаметра готовой проволоки, нецелесообразно из-за значительного возрастания сопротивления поперечному течению металла в поверхностных слоях арматурной проволоки периодического профиля и повышения вытяжной способности профилирующего калибра.

Профилировать проволоку с формированием периодических выступов высотой, выходящей за заявляемые пределы, нецелесообразно, так как при формировании сегментных выступов высотой менее 0,05 диаметра готовой проволоки последняя не обеспечит достаточной степени ее сцепления с бетоном, а формирование сегментных выступов высотой более 0,1 диаметра готовой проволоки приведет к значительной потере площади поперечного сечения арматурного профиля и снижению разрывного усилия при натяжении арматуры на бетон.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению со способом, взятым за прототип, были проведены лабораторные испытания. Горячей прокаткой получали круглую катанку диаметром 8,0 мм из стали ст3пс. Затем катанку охлаждали до температуры 850°С. После этого с поверхности катанки удаляли окалину химическим способом. Волочение осуществляли в два прохода с использованием монолитных волок с углом рабочего канала 4°. В качестве технологической смазки использовали порошок натриевого мыла. Суммарная степень деформации составляла 43%. При волочении диаметры проволоки в каждом проходе определяли по заявляемой формуле: для первого прохода для второго прохода

После волочения круглую проволоку профилировали в прокатной клети путем обжатия по периметру ее поперечного сечения четырех плоских участков и одновременного формирования периодических выступов в виде сегментов. Ширину плоских участков и высоту выступов контролировали на инструментальном микроскопе БМИ. Было проведено 6 опытов по режимам обработки, указанным в таблице: три опыта (№1-3) с заявляемыми режимами, два опыта (№4 и 5) с режимами, выходящим за заявляемые пределы, и опыт №6 - по режимам способа-прототипа. Причем по способу-прототипу обрабатывали катанку диаметром 8,0 мм. Результаты испытаний приведены в таблице.

Номер опытаСтепень деформации волочением,
%Режим отпускаШирина обжимаемых плоских участков, ммВысота сегментного выступа, ммОтносительное
удлинение после разрыва,
δ₁₀₀,%заявляемый1.43-2,420,307,82.43-3,200,458,03.43-3,620,607,44.43-3,930,725,65.43-2,300,237,0прототип6.43450°С в течение 5 с-6,4

Результаты испытаний показали, что заявляемый способ изготовления низкоуглеродистой арматурной проволоки (опыт № 1-3) по сравнению с прототипом (опыт № 6) обеспечивает увеличение ее пластических свойств на 16-25%. Использовать режимы, выходящие за заявляемые пределы, нецелесообразно из-за низких пластических свойств проволоки (опыт № 4) и из-за недостаточной степени сцепления ее с бетоном (опыт № 5).

Изобретение предназначено для изготовления низкоуглеродистой арматурной проволоки периодического профиля для армирования железобетонных конструкций. Благоприятная схема напряжений, тем самым повышение пластических свойств проволоки достигается за счет того, что в способе, включающем горячую прокатку круглой катанки из низкоуглеродистой стали, охлаждение и удаление с ее поверхности окалины, волочение круглой проволоки осуществляют в каждом проходе до диаметра, регламентируемого математической зависимостью, причем обжатие осуществляют плоскими участками, ширину которых задают равной 0,4-0,6 диаметра готовой проволоки, с образованием между ними необжимаемых участков, а периодические выступы формируют в виде сегментов с высотой, равной 0,05-0,1 диаметра готовой проволоки. 1 табл.

Способ изготовления низкоуглеродистой арматурной проволоки, включающий горячую прокатку круглой катанки из низкоуглеродистой стали, охлаждение и удаление с ее поверхности окалины, волочение и последующее профилирование круглой проволоки путем обжатия ее по периметру с одновременным формированием периодических выступов, отличающийся тем, что волочение круглой проволоки в каждом проходе осуществляют до диаметра, определяемого по формуле

где d_n - диаметр проволоки в каждом n-м проходе, мм;

d_n-1 - диаметр проволоки до n-го прохода, мм;

α - полуугол рабочего канала волоки, град;

n - количество проходов,

обжатие проволоки по периметру ее поперечного сечения осуществляют с образованием плоских участков и необжимаемых участков между ними, причем ширину плоских участков задают равной 0,4-0,6 диаметра готовой проволоки, а периодические выступы формируют в виде сегментов с высотой, равной 0,05-0,1 диаметра готовой проволоки.