Исследование напряженно-деформированного состояния и трансформации микроструктуры медных электротехнических шин в очаге деформации при непрерывном прессовании

Выполнено комплексное исследование особенностей протекания физико-механических процессов в металле в очаге деформации при непрерывном прессовании прямоугольных шин размером 10×60 мм из меди М1б. С применением компьютерного моделирования по методу конечных элементов получены значения энергосиловых параметров процесса экструдирования. Отмечено, что рост значений момента и усилия происходит вплоть до заполнения металлом пространства пресс-камеры, достигая максимумов 12,26 кН·м и 1,54 МН соответственно. В результате анализа напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации получены поля распределений накопленной степени деформации, интенсивности скоростей деформации и средних напряжений, а также построен график изменения температуры металла во времени в процессе экструдирования. Наибольший уровень накопленной степени деформации и сжимающих напряжений наблюдается в зоне контакта заготовки с упором пресс-контейнера. Там же отмечается наиболее интенсивный деформационный разогрев металла. Сопоставление результатов моделирования и микроструктурного исследования свидетельствует о том, что значительная часть работы по измельчению литой структуры происходит на входе в очаг деформации и в области упора, где действует наивысший уровень напряжений сжатия. Деформация металла при прохождении матрицы приводит к формированию ориентированной кристаллической структуры с размером зерен 25–30 мкм. Результаты измерения твердости образцов хорошо согласуются с результатами анализа структуры в исследованных областях очага деформации. При прохождении заготовки участка упора пресс-контейнера происходит деформационный разогрев, что приводит к снижению твердости с 93 до 67 HV. После прохождения металла через матрицу в нем про- должаются процессы рекристаллизации, приводящие к незначительному росту размеров зерен и, соответственно, снижению твердости с 79 до 74 HV, продолжающемуся до момента контакта шины с охлаждающей средой.

1. Davis J.R. Copper and copper alloys. OH: ASM International, 2003.

2. Smith W.F., Hashemi J. Foundations of materials science and engineering. Boston: McGraw-Hill Professional, 2003.

3. Зиновьев А.В., Часников А.Я., Потапов П.В. Физико-механические свойства и пластическая деформация меди и ее сплавов. М.: ИРИАС, 2009.

4. Шаталов Р.Л., Лукаш А.С., Зисельман В.Л. Определение механических свойств медных и латунных полос по показателям твердости при холодной прокатке. Цвет. металлы. 2014. No. 5. С. 61—65.

5. Зиновьев А.В., Соколов П.Ю., До Ван Минь, Часников А.Я. Исследование сопротивления деформации простых латуней. Цвет. металлургия. 2015. No. 5. C. 24—25

6. Зиновьев А.В., Шмурыгин Е.Г., Морозов Г.П., Луговов В.Ф., Лобков А.И. Повышение эффективности производства листов, полос и лент, сплавов на основе меди и никеля. М.: Металлургия, 1996.

7. Логинов Ю.Н., Шалаева М.С. Эволюция микронеровностей внутренней поверхности медных труб при волочении. Известия вузов. Цветная металлургия. 2014. No. 3. С. 39—44. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2014-3-39-44.

8. Valiev R.Z., Langdon T.G. Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement. Prog. Mater. Sci. 2006. Vol. 51. No. 7. P. 881—981. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.02.003.

9. Wang Y.L., Lapovok R., Wang J.T., Qi Y.S., Estrin Y. Thermal behavior of copper processed by ECAP with and without back pressure. Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 628. P. 21—29. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.01.021.

10. Gamin Yu.V., Romantsev B.A., Pashkov A.N., Patrin P.V., Bystrov I.A., Fomin A.V., Kadach M.V. Obtaining hollow semifinished products based on copper alloys for electrical purposes by means of screw rolling. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2020. Vol. 61. P. 162—171. https://doi.org/10.3103/S1067821220020054.

11. Валеев И.Ш., Валеева А.Х. Изменение микротвердости и микроструктуры меди M1 при радиально-сдвиговой прокатке. Письма о материалах. 2013. Т. 3. No. 1. С. 38—40. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2013-1-38-40.

12. Skripalenko M.M., Galkin S.P., Sung H.J., Romantsev B.A., Huy T.B., Skripalenko M.N., Kaputkina L.M., Sidorow A.A. Prediction of potential fracturing during radial-shear rolling of continuously cast copper billets by means of computer simulation. Metallurgist. 2019. Vol. 62. P. 849—856. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00728-8.

13. Иванов А.М. Прессование призматических и винтовых профилей из меди М4. Известия вузов. Цветная металлургия. 2017. No. 3. С. 77—84. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-3-77-84.

14. Vu V.Q., Prokof’eva O., Toth L.S., Usov V., Shkatulyak N., Estrin Y., Kulagin R., Varyukhin V., Beygelzimer Y. Obtaining hexagon-shaped billets of copper with gradient structure by twist extrusion. Mater. Charact. 2019. Vol. 153. P. 215—223. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.04.042.

15. Адно Ю.Л. Феномен металлургических мини-заводов. Мировая экономика и междунар. отношения. 2014. No. 3. С. 34—45.

16. Green D. Continuous extrusion-forming of wire section. J. Inst. Metals. 1972. Vol. 100. P. 295—300.

17. BWE Ltd Brochure. BWE Limited. URL: https://bwe.co.uk/wp-content/uploads/2020/04/BWELtd-Brochure-Website-After-Proof.pdf (accessed: 25.05.2020).

18. Константинов И.Л., Сидельников С.Б. Основы технологических процессов обработки металлов давлением. Красноярск: СФУ, 2015.

19. Горохов Ю.В., Солопко И.В., Суслов В.П., Крылов М.А. Особенности пластического течения материала заготовки в деформационной зоне при непрерывном прессовании способом «Конформ». Цвет. металлы. 2010. No. 12. С. 69—71.

20. Шимов Г.В., Фоминых Р.В., Ефремова А.С., Ковин Д.С. Исследование траектории течения непрерывно-литой меди при прессовании способом Сonform. Цвет. металлы. 2018. No. 4. С. 79—85. https://doi.org/10.17580/tsm.2018.04.11.

21. Фоминых Р.В., Шимов Г.В., Ефремова А.С., Лямина Э.А. Экспериментальное исследование причин брака медных шин при прессовании на линии непрерывной экструзии «Conform-400». В сб.: Материалы XVIII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых (г. Екатеринбург, 21—23 нояб. 2017 г.). Екатеринбург: УрФУ, 2017. С. 47—53.

22. Song L., Yuan Y., Yin Zh. Microstructural evolution in Cu—Mg alloy processed by conform. Int. J. Nonferr. Met. 2013. Vol. 2. No. 3. P. 100—105. http://dx.doi.org/10.4236/ijnm.2013.23014.

23. Yuan Y., Li Z., Xiao Z., Zhao Z., Yang Z. Microstructure evolution and properties of Cu—Cr alloy during continuous extrusion process. J. Alloys Compd. 2017. Vol. 703. P. 454—460. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.01.355.

24. Li B., Li Ch., Yao X., Song B. Effects of continuous extrusion on microstructure evolution and property characteristics of brass alloy. Adv. Mater. Res. 2011. Vol. 189—193. P. 2921—2924. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.189-193.2921.

25. Li B., Wei Q., Pei J.-Y., Zhao Y. Flow characteristics of brass rod during continuous extrusion. Procedia Eng. 2014. Vol. 81. P. 647—651. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.10.054.

26. Мочалин И.В., Горохов Ю.В., Беляев С.В., Губанов И.Ю. Экструдирование медных шин на установке «Конформ» с форкамерой. Цвет. металлы. 2016. No. 5. С. 75—78. https://doi.org/10.17580/tsm.2016.05.12.

27. Горохов Ю.В., Тимофеев В.Н., Беляев С.В. Авдулов А.А., Усков И.В., Губанов И.Ю., Авдулова Ю.С., Иванов А.Г. Прессовый узел установки Conform для непрерывного прессования цветных металлов. Известия вузов. Цветная металлургия. 2017. No. 4. С. 69—75. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-4-69-75.

28. Горохов Ю.В., Тимофеев В.Н., Губанов И.Ю., Плотникова Т.А., Иванов А.Г. Модернизация конструкции установки Конформ. Сборник докладов девятого международного конгресса «Цветные металлы и минералы» (г. Красноярск, 11—15 сент. 2017 г.). Красноярск: ООО «Научно-инновационный центр», 2017. С. 591—596.

29. Katajarinne T., Manninen T., Ramsay P. Numerical simulation of flash formation in continuous rotary extrusion of copper. J. Mater. Process. Technol. 2006. Vol. 177. No. 1—3. P. 604—607. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.04.054.

30. Yun X., You W., Zhao Y., Li B., Fan Z. Continuous extrusion and rolling forming velocity of copper strip. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2013. Vol. 23. P. 1108—1113. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(13)62572-8.

31. Ershov A.A., Loginov Y.N. Simulation of the Conform-type pressing process by using the QFORM VX software complex. Metallurgist. 2018. Vol. 62. P. 207—211. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0646-6.

32. Шимов Г.В., Ковин Д.С., Фоминых Р.В., Богатов А.А. Моделирование начальной стадии заполнения форкамеры при прессовании медной шины на линии непрерывной экструзии «Conform-400». В сб.: Материалы XVIII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых (г. Екатеринбург, 21—23 нояб. 2017 г.). Екатеринбург: УрФУ, 2017. С. 599—603.

33. QuantorForm2019. URL: https://qform3d.com. (accessed: 26.11.2019).

34. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1983.

35. Горохов Ю.В., Шеркунов В.Г., Довженко Н.Н., Беляев С.В., Довженко И.Н. Основы проектирования процессов непрерывного прессования металлов. Красноярск: СФУ, 2013.

36. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением: Учеб. для вузов. М.: Металлургия, 1986.

37. Hallberg H., Wallin M., Ristinmaa M. Modeling of continuous dynamic recrystallization in commercial-purity aluminum. Mater. Sci. Eng. A. 2010. Vol. 527. No. 4—5. P. 1126—1134. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.09.043.

38. Zinoviev A.V., Koshmin A.N., Chasnikov A.Y. Effect of continuous extrusion parameters on alloy M1 round section bar microstructure and mechanical property formation. Metallurgist. 2019. Vol. 63. P. 422—428. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00838-3.