СПОСОБ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПРОВОЛОКИ ИЗ ОЛОВЯННО-ЦИНКОВОЙ БРОНЗЫ БРОЦ4-3 Российский патент 2008 года по МПК C22F1/08 

Изобретение относится к цветной металлургии, конкретно - к сфере производства проволоки, выполняемой из оловянно-цинковой бронзы марки БрОЦ4-3 и предназначенной для изготовления упругих элементов в ответственных электрических разъемах.

Из уровня техники известно, что изделия из бронзы БрОЦ4-3 (марочный ГОСТ 5017-74 [1] довольно широко производятся предприятиями цветметобработки в виде лент, полос, прутков, применяемых в машиностроительной, приборостроительной и электротехнической отраслях, а также в виде проволоки для пружин и аппаратуры химической промышленности [2]. При этом к полуфабрикатам из этой бронзы предъявляются весьма высокие требования по прочностным свойствам, которые, в частности для проволоки, обеспечивают многоразовым волочением без отжигов с постепенным накоплением суммарного относительного обжатия ε до значительной величины. При этом ε рассчитывают, как правило, по формуле

где Fo - начальная площадь поперечного сечения образца при испытании на растяжение;

Fк - конечная площадь поперечного сечения образца.

Из [3, рис.245] следует, что для образцов после холодной пластической деформации с ε=45% предел прочности составляет 589 МПа, что является малоприемлемым для изделий, работающих при высоких нагрузках.

При ε, также, как и в [3], равном для сплава CuSn4Zn3 45-50% [4], расчетом по аппроксимирующей формуле получаются значения сопротивления деформации σ_s на уровне 460-470 МПа, что вполне приемлемо коррелирует с σ_в из [3], равным (при ε=45-50%) 580-590 МПа; однако такой уровень прочности недостаточен для упомянутых ответственных электрических разъемов.

В качестве прототипа выбран режим деформационной и термической обработки, приведенной в [2, с.184-186]. Из [2] известно, что полосы и ленты из бронзы БрОЦ4-3, получаемые, естественно, посредством холодной прокатки, должны иметь в особотвердом состоянии согласно ГОСТ предел прочности не менее 687 МПа, при этом относительное удлинение δ, вероятно, не регламентируется [2, с.184], поскольку данные по δ отсутствуют (в таблице - прочерк). Как следует из этого же источника [2, рис.226], максимально возможное значение σ_в для нагартованных полос, полученное при относительном обжатии ε=70%, составляет 765 МПа, a σ_в для нагартованных холоднокатаных листов при ε=60% не превышает 638 МПа [2, рис.228]. Приведенные значения σ_в, в том числе стандартизованные, являются явно недостаточными при использовании сплава для изготовления изделий ответственного назначения, например при выполнении из него упругих элементов.

Согласно ГОСТ 5221-77 [5], который распространяется на проволоку круглого и квадратного сечения, предназначенную для изготовления упругих элементов, наряду с высокими требованиями по геометрическим параметрам и состоянию поверхности, жестко регламентированы прочностные свойства. В частности, временное сопротивление круглой проволоки должно достигать, в зависимости от ее диаметра, следующего исключительно высокого уровня: σ_в≥765-883 МПа; при этом значения относительного удлинения, также в зависимости от диаметра проволоки, должны составлять δ≥2,0-0,5%. Кроме того, согласно [5] круглая проволока должна выдерживать навивание десяти витков на цилиндрический стержень диаметром, равным двойному диаметру проволоки, и при навивании она не должна давать трещин, расслоений, надрывов и изломов.

Чтобы удовлетворить столь высоким требованиям по σ_в, порожденным условиями работы упругих проволочных элементов ответственного назначения, испытывающих повышенные механические и электрические нагрузки, полуфабрикаты подвергают холодной пластической деформации, как правило, - волочению с высоким суммарным относительным обжатием на уровне 88-92%. Однако при достижении посредством волочения значений предела прочности от 785 МПа и выше пластические характеристики снижаются настолько, что до 80% проволоки диам. 2,5-10,0 мм не выдерживает испытание на навивание, даже если ее относительное удлинение укладывается в оговоренные пределы. При необходимости достижения для проволоки диам. 2,5-4,0 мм значений предела прочности, согласно стандарту, не менее 834 МПа его получали лишь на отдельных бунтах проволоки, причем для самых малых диаметров указанного интервала суммарное относительное обжатие при волочении без отжигов достигало 94,3%. Однако соблюдение при этом значений относительного удлинения, соответствующих стандарту, не гарантировало положительных результатов при испытании на навивание. Таким образом, возникшую ситуацию можно квалифицировать как существенно противоречивую: с одной стороны, достижение высокого уровня прочности по стандарту обеспечивается деформационным упрочнением за счет высоких относительных обжатий, накопленных металлом при волочении, а с другой стороны, высокая степень холодной деформации резко снижает пластические характеристики, и в конечном итоге проволока не выдерживает испытание на навивание. То есть в данном случае имела место явная перенагартовка металла: дополнительным свидетельством этого являлось хрупкое, без признаков образования шейки, разрушение разрывных образцов при испытании на растяжение. Положение усугублялось тем, что в условиях реального производства заготовке под волочение присущ ряд недостатков, а именно - дефектов как металлургического происхождения (литейная рыхлость, ликвация легирующих компонентов, разнозернистость), так и прокатного (закаты, вкатанная окалина и др.), причем последние в значительной мере устраняются при проведении операции скальпирования горячекатаной заготовки, совмещенной с грубым волочением; наследственность же металлургических дефектов может сохраняться вплоть до получения готового изделия.

Что касается режимов термической обработки бронзы БрОЦ4-3 согласно прототипу, то в [2, с.184] указано:

- температура отжига 600°С;

- температура начала рекристаллизации 400°С;

- низкотемпературный отжиг для повышения упругих характеристик после холодной деформации проводится при температуре 250°С и выдержке 1 час.

Из приведенной в [2] информации следует, что зависимость механических свойств от температуры отжига в его низкотемпературном интервале 200-300°C [2, рис.227] выглядит следующим образом: снижение σ_в от исходного состояния составляет от 39 до 226 МПа, что может весьма негативно повлиять на уровень прочности готовой проволоки; повышение δ может быть достигнуто на 1-8%, что является весьма существенным с учетом низких абсолютных значений δ для интенсивного упрочненного сплава, и это следует оценить как положительный фактор.

Задачей предлагаемого технического решения является достижение оптимального сочетания прочностных и пластических характеристик полуфабриката, соответствующих высоким требованиям, предъявляемым к проволоке, из которой выполняют ответственные изделия.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе термодеформационной обработки проволоки из оловянно-цинковой бронзы БрОЦ4-3, включающем получение посредством горячей деформации заготовки, многоразовое волочение заготовки до требуемых размеров проволоки, согласно предлагаемому способу перед каждыми не менее чем тремя последними проходами волочения проводят низкотемпературный отжиг при температуре 230±10°С и выдержке 45-60 минут, причем каждый из трех последних проходов многоразового волочения осуществляют с частными коэффициентами вытяжки в интервале 1,25-1,45.

Многочисленные экспериментально-производственные исследования на промышленных партиях, проведенные в соответствии с режимами известного способа, не дали положительных результатов - достигнутые с существенными трудностями надлежащие по ГОСТ значения σ_в и δ перекрывались отрицательными результатами испытания на навивание. В связи со сложившимся крайне неблагоприятным положением была разработана и реализована в производственных условиях программа опытного исследования термодеформационной обработки (ТДО) проволочных полуфабрикатов из БрОЦ4-3. Далее кратко изложены основные этапы проведения этой программы.

При введении в технологическую схему производства проволоки диам.2,5 мм одно- и многоразового отжига по режиму прототипа был незначительный эффект, конкретно: ситуация с испытанием на навивание несколько улучшилась (вместо 20% его выдержало 30% проволоки), но для части бунтов предел прочности снизился ниже допустимого по ГОСТ.

Эти бунты проволоки диам. 2,5 мм использовали в качестве промежуточной заготовки и протянули их на проволоку диам. 2,2 мм (ε=22,6%; коэффициент вытяжки λ=1,29) и диам. 2,0 мм (ε=36%; λ=1,56). В итоге 60-70% металла этих опытных партий соответствовало ГОСТу по всем параметрам, в том числе и по испытанию на навивание. На основании достигнутого положительного эффекта в опытном порядке в схему производства одного из самых малых, следовательно, с наибольшими трудностями выполняемого размера проволоки диам. 1,8 мм, получаемой за 8 проходов волочения, ввели низкотемпературный отжиг (по сути - нормализацию) перед каждым проходом волочения по следующему, отличному от прототипа режиму, а именно: температура нормализации 230±10°С, выдержка 40-50 минут. В результате обработки заготовки согласно приведенному режиму полученная готовая проволока диам. 1,8 мм полностью соответствовала всем требованиям стандарта, в том числе и по испытанию на навивание. Однако столь значительное число отжигов (нормализации) резко ухудшает экономическую ситуацию на производстве, поэтому, постепенно снижая их количество и проводя все надлежащие измерения показателей готовой проволоки различных диаметров, пришли к выводу, что нижний предел их количества следует ограничить тремя отжигами, проводимыми перед тремя последними проходами в маршруте волочения. Опытным путем выявлено, что при числе нормализации менее трех, в том числе проводимых и по режиму прототипа, не гарантируется достижение положительного результата по всем оговоренным в стандарте показателям.

Представляется уместным отметить, что вследствие присущей волочению неблагоприятной, жесткой схемы напряженного состояния с преобладанием растягивающих напряжений, особенно на контакте с инструментом и в приконтактных областях изделия, значительная часть партий проволоки не выдерживала именно испытание на навивание, при котором наибольшей деформации подвержены указанные области. Кроме того, известно, что волочение как процесс деформации проводится в режиме однозонного скольжения деформируемого металла относительно инструмента (волоки), и даже путем существенного снижения коэффициента трения посредством соответствующей обработки волочильного канала и подбора эффективных смазок схему деформации и схему напряженного состояния, свойственные процессу, изменить не удается. Проблему разрешили только применением как минимум троекратной нормализации по предлагаемому способу.

Обоснование нижнего предела температуры нормализации, равного 230-10=220°С, основано на том, что ниже 220°С (это показали собственные исследования) не достигается даже частичная релаксация наведенных в металле остаточных растягивающих напряжений, ответственных за проблему с испытаниями. Назначенный на основании опытов верхний предел, равный 230+10=240°С, установлен как достаточный для компенсации потери пластичности; кроме того, при температуре 240°С незначительно снижение уровня прочности, необходимого для достижения его нормированных значений по ГОСТу для готовой проволоки.

С целью надежного и стабильного прохождения описываемых процессов частичного разупрочнения опытным путем была установлена минимальная длительность выдержки при нормализации, равная 45 минутам. Верхний предел длительности выдержки, равный 60 минутам, продиктован, с одной стороны, необходимостью обеспечения надежного и равномерного прогрева всей садки металла, а с другой стороны, стремлением снизить энергозатраты и организовать экономически оправданную технологическую схему, которую, представляется, удалось реализовать в достаточной мере.

Нарушение указанных пределов частных коэффициентов вытяжки в трех последних проходах, как показала заводская практика выпуска промышленных партий проволоки диам. 1,8-10,0 мм, приводит:

- при волочении с коэффициентом вытяжки менее 1,25 - к недостижению гарантированных значений предела прочности готовых размеров во всем диапазоне диаметров проволоки;

- при волочении с коэффициентом вытяжки более 1,45 - к снижению стабильности процесса волочения проволоки, накопившей к концу маршрута многоразового волочения весьма высокую суммарную степень деформации (в предельном случае ε=97%), порождающую настолько серьезное упрочнение металла, что даже с учетом проведенных трех циклов нормализации возрастает вероятность обрывов переднего конца вследствие снижения коэффициентов запаса прочности ниже установленных допустимых пределов:

к₁=σ_в1/p_в≥2,0-2,5; к₂=σ_s1/р_в≥1,5-2,0,

где σ_в1 и σ_s1 - соответственно предел прочности и сопротивление деформации проволоки после конкретного прохода волочения с учетом накопленной степени деформации ε; σ_в1 и σ_s1 определяют, например, по [2, 3, 4 и др.].

р_в - напряжение волочения, рассчитываемое по одной из многочисленных формул, например, по формуле И.Л.Перлина [6].

Таким образом, проведение ТДО проволоки из бронзы БрОЦ4-3 по предлагаемому способу обеспечивает достижение оптимального сочетания прочностных и пластических характеристик, удовлетворяющего жестким требованиям, предъявляемым к проволоке, предназначенной для изготовления высокоответственных изделий - упругих элементов в электрических разъемах.

Способ на примере производства проволоки диам. 2,5 мм осуществляют следующим образом. На горизонтальном гидравлическом прессе усилием 35 МН из мерных заготовок диам. 190 и длиной 360 мм, полученных резкой слитка полунепрерывного литья, при температуре 800±20°С прессуют через одноканальную матрицу промежуточную заготовку квадратного поперечного сечения с размерами 75×75 мм, которую после нагрева в методической печи до температуры 820°С прокатывают на линейном мелкосортно-проволочном стане 300 до диам. 11,5 мм и сматывают в бунты. Далее прокатанную заготовку подвергают травлению в 5-15% растворе серной кислоты в течение 20 минут и последующему волочению с одновременным скальпированием до диам. 10,5 мм на однократной волочильной машине ВСГ 1/720, после чего отжигают при 750-780°С и вновь травят в кислоте. Последующее волочение по маршруту, мм:

10,5-8,5-7,5-6,5-5,7-5-4,5-4,0 проводят без отжигов на машине. Перед каждым из трех последних проходов волочения, включая чистовой, до диаметров, мм: 3,5-3,0-2,5 соответственно, проводят нормализацию бунтов по режиму: температура 230±10°С, время выдержки (после достижения заданной температуры) 45-60 минут, то есть параметры нормализации в точности соответствуют режиму предлагаемого способа. Коэффициенты вытяжки в трех последних проходах маршрута волочения составляют соответственно 1,31; 1,36; 1,44, следовательно, их значения находятся в пределах, установленных предлагаемым способом (1,25-1,45); при этом величины суммарных относительных обжатий при волочении, рассчитанные по формуле

где F₀ - площадь поперечного сечения протянутой в первом проходе волочения скальпированной заготовки, мм²;

F_i - площадь поперечного сечения промежуточной заготовки или готовой проволоки после i-того прохода волочения, проводимого без рекристаллизационного отжига, но с нормализацией, для трех полезных проходов составили соответственно, %: 88,9; 91,8; 94,3.

Параметры полученной по предлагаемому способу проволоки диам.2,5 мм полностью отвечают требованиям ГОСТ 5221-77, а именно: σ_в=844-883 МПа (по ГОСТ σ_в≥834 МПа), δ=1-2% (по ГОСТ δ≥1,0%); испытание на навивание выдержали все без исключения бунты проволоки.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. ГОСТ 5017-74. Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением. Марки. М.: Изд-во стандартов, 1987. бс. УДК 669.35'6:006.354(083.74). Группа В 51.

2. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. 488 с.

3. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. Справочник. Изд. 2-е. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

4. Хензель А., Шпиттель Т. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки металлов давлением. Справочник. М.: Металлургия, 1982. 360 с.

5. ГОСТ 5221-77. Проволока из оловянно-цинковой бронзы. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1980. 10 с. УДК 669.35'6-426:006:354. Группа В 74.

6. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. 448 с.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству проволоки, изготавливаемой из оловянно-цинковой бронзы марки БрОЦ4-3 и предназначенной для выполнения из нее упругих элементов в ответственных электрических разъемах. Способ термодеформационной обработки проволоки из оловянно-цинковой бронзы БРОЦ4-3 включает получение посредством горячей деформации заготовки, многоразовое волочение заготовки до требуемых размеров проволоки. Перед каждыми не менее чем тремя последними проходами волочения проводят низкотемпературный отжиг при температуре 230±10°С и выдержке 45-60 минут, причем каждый из трех последних проходов многоразового волочения осуществляют с частными коэффициентами вытяжки в интервале 1,25-1,45. Получены оптимальные сочетания прочностных и пластических характеристик.

Способ термодеформационной обработки проволоки из оловянно-цинковой бронзы БРОЦ4-3, включающий получение посредством горячей деформации заготовки, многоразовое волочение заготовки до требуемых размеров проволоки, отличающийся тем, что перед каждыми не менее чем тремя последними проходами волочения проводят низкотемпературный отжиг при температуре 230±10°С и выдержке 45-60 мин, причем каждый из трех последних проходов многоразового волочения осуществляют с частными коэффициентами вытяжки в интервале 1,25-1,45.