2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................... 4

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ................................... 12

1.1 Высокоскоростные железнодорожные магистрали мира ............................. 12

1.2 Современные технические требования, предъявляемые к контактным проводам ..................................................................................................................... 14

1.3 Способы и технологии получения контактных проводов ............................ 17

1.4 Современные направления развития методов пластической обработки с целью совершенствования физико-механических свойств проводниковых материалов .................................................................................................................. 26

Выводы к первой главе, постановка целей и задач исследования ........................ 40

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО КОНТАКТНОГО ПРОВОДА С ПОВЫШЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ .............. 42

2.1 Разработка методики научно-практических работ ........................................... 43

2.2 Научно-обоснованный подход к созданию наноструктурированного контактного провода .................................................................................................. 52

Выводы ко второй главе ............................................................................................ 59

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ ТЕХНОЛОГИИ МЕТОДОМ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ .................................................................................................. 61

3.1 Математический анализ процесса радиального обжатия в первом блоке ..... 62

3.2 Математический анализ процесса радиального обжатия во втором блоке ... 82

3.3 Математический анализ процесса РКУП-«Конформ» с выдавливанием ...... 94

Выводы к третьей главе ........................................................................................... 106

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ..................................................... 108

4.1 Описание физического эксперимента .............................................................. 108

4.2 Пластическая обработка заготовки методом ковки ....................................... 110

4.3 Пластическая обработка заготовки методом РКУП с выдавливанием ........ 112

4.4 Термическая обработка полученных образцов контактного провода .......... 114

3

4.5 Исследование структуры полученных лабораторных образцов контактного провода ...................................................................................................................... 114

4.6 Физико – механические и эксплуатационные свойства полученных образцов контактного провода ................................................................................................ 119

4.7 Укрупненная оценка снижения затрат от использования новой схемы ...... 122

4.9 Рекомендации по использованию полученных результатов ......................... 124

Выводы к четвертой главе ....................................................................................... 126

Заключение ................................................................................................................. 128

Список сокращений и условных обозначений .................................................... 132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 133

Приложение ................................................................................................................ 148

4

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных потребителей меди и медных сплавов в народном

хозяйстве является железнодорожный транспорт. Активный рост в настоящее

время грузовых и пассажирских перевозок диктует необходимость увеличения

пропускной и провозной способности железной дороги. С этой целью проводится

увеличение длины электрифицированных путей, скорости движения и мощности

электроподвижного состава. По состоянию на 2018 год, согласно данным,

представленным ОАО «РЖД», доля электрифицированных путей составляет

порядка 60 %. Планируется и проводится дальнейшая электрификация железных

дорог, а также строительство современных высокоскоростных пассажирских

магистралей [1-3].

Согласно [1,3], с увеличением скорости движения и мощности грузовых и

пассажирских электровозов пусковые токи возрастают до 2400 A и выше,

изменяются условия работы скользящего контакта, в несколько раз повышаются

силы натяжения проводов, появляются дополнительные нагрузки на провод от

волнового эффекта. Данные факторы усложняют условия работы контактных

проводов железнодорожных сетей и, соответственно, приводят к снижению их

ресурса. Исследования, посвященные износу, разрушениям и обрывам контактной

сети показали, что данные факторы зависят как от условий эксплуатации, так и от

материалов, используемых в сети и их свойств. Например, производимые и

широко используемые в России медные (марки М1) и малолегированные (Сu-Sn)

контактные провода имеют низкую термостабильность (температура начала

рекристаллизации T=180…240 ˚C) и прочность, в связи с этим появляется высокая

вероятность обрыва сети. Таким образом, выпускаемые в РФ традиционные

медные и малолегированные контактные провода не удовлетворяют современным

требованиям, предъявляемым к проводам высокоскоростных железных дорог

[1,4]. В этой связи в недавно введенном ГОСТ Р 55647-2013 прописаны

5

требования к свойствам современных контактных проводов, в том числе и для

высокоскоростных железных дорог, однако их реализация предполагает создание

новых материалов на основе меди, а также развитие и совершенствование

традиционных методов производства данной продукции.

Таким образом, существует проблема совершенствования и адаптации

комплекса эксплуатационных характеристик контактных проводов

применительно к современным требованиям. Соответственно, получение

контактных проводов нового поколения с повышенным комплексом

эксплуатационных характеристик требует развития и совершенствования методов

их производства.

Решение данной задачи позволит повысить долговечность контактных

сетей, сократит межсервисный интервал и материальные расходы на

обслуживание, обеспечит возможность увеличения количества высокоскоростных

железнодорожных магистралей, даст возможность увеличения пропускной и

провозной способности, повысит общую надежность путей сообщения.

Данные исследования были выполнены при поддержке Министерства

образования и науки Российской Федерации в рамках соглашения о субсидии

№14.586.21.0025 (уникальный идентификатор проекта RFMEFI58616X0025).

В связи с актуальностью рассматриваемой проблемы целью

диссертационной работы является создание комбинированного непрерывного

процесса пластической обработки для получения наноструктурированного

контактного провода высокоскоростных магистралей из термоупрочняемого

низколегированного сплава системы Cu-Cr с повышенным комплексом

физико-механических и эксплуатационных свойств на базе передовых методов

интенсивной пластической деформации, таких как всесторонняя ковка и

равноканальное угловое прессование по схеме «Конформ».

6

Для достижения поставленной цели в работе решали следующие основные

задачи:

1. Разработка принципиальной схемы непрерывного процесса получения

контактного провода с использованием методов интенсивной пластической

деформации.

2. Исследование процессов пластической обработки (радиального

обжатия и равноканального углового прессования по схеме «Конформ») методом

математического моделирования для оценки напряженно-деформированного

состояния, температурно-скоростных условий, технологических и энергосиловых

параметров процессов в условиях получения наноструктурированных контактных

проводов.

3. Оптимизация режимов обработки и конструкционного исполнения

инструмента для процесса радиального обжатия методом полного факторного

эксперимента.

4. Проведение верификационного физического эксперимента с

получением лабораторных наноструктурированных образцов контактного

провода из низколегированного сплава Cu-0,65Cr (вес. %), включающего

термическую обработку, ковку, равноканальное угловое прессование с

выдавливанием.

5. Структурный анализ, аттестация физико-механических и

эксплуатационных свойств лабораторных образцов контактного провода,

полученных с помощью физического эксперимента.

6. Разработка технических рекомендаций для реализации

комбинированного процесса интенсивной пластической деформации,

обеспечивающего получение наноструктурированных контактных проводов из

низколегированных сплавов системы Cu-Cr с повышенным комплексом физико-

механических и эксплуатационных свойств.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Создана новая технологическая схема пластического

структурообразования, основанная на комбинации немонотонной обработки

7

методами интенсивной пластической деформации (радиальным обжатием и

равноканальным угловым прессованием по схеме «Конформ» с выдавливанием)

для получения наноструктурированного контактного провода с повышенным

комплексом физико-механических свойств из термоупрочняемого сплава системы

Cu-Cr с наноразмерными элементами структуры (20-100 нм) - субзернами и

упрочняющими частицами вторых фаз.

2. В термоупрочняемом низколегированном сплаве Cu-0,65Cr с

использованием комбинации немонотонной пластической обработки радиальной

ковкой и равноканальным угловым прессованием, совмещенным с

выдавливанием, сформирована смешанная структура зеренно-субзеренного типа

со средним размером областей когерентного рассеяния 160±16 нм и размером

частиц вторых фаз менее 100 нм, преимущественно, по границам субзерен и

зерен, что обеспечивает повышенный комплекс физико-механических свойств.

3. Выявлены закономерности и созданы математические модели

(регрессионные уравнения), описывающие взаимосвязи технологических

параметров квазинепрерывного радиального обжатия (скорость подачи заготовки

и конструкционное исполнение бойков) и деформированного состояния заготовки

прямоугольного поперечного сечения с отношением высоты к ширине равным

двум.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработанный экономически целесообразный научно-технический

подход обеспечивает получение продукции в виде контактного провода из

термоупрочняемых сплавов системы Cu-Cr для высокоскоростных

железнодорожных магистралей с повышенным комплексом физико-механических

и эксплуатационных свойств.

2. Разработанные математические модели (регрессионные уравнения),

описывающие взаимосвязи технологических параметров процесса радиального

обжатия и деформированного состояния заготовки в процессе обработки,

позволяют получать необходимые данные инженерными расчетами, что

8

значительно ускоряет время получения результатов при варьировании

технологических параметров.

3. Получен новый комплекс физико-механических свойств контактного

провода из низколегированного термоупрочняемого сплава Cu-0,65Cr, в

наноструктурированном состоянии, превосходящий требования ГОСТ Р 55647-

2013 для проводов повышенной прочности (Бр2) на 20 % по пределу прочности

(560 МПа), на 14% по электропроводности (76 % IACS), в два раза по

относительной пластичности (23 %).

4. Положительные результаты использования комбинированной

обработки методами интенсивной пластической деформации могут быть

использованы при проектировании подобных непрерывных процессов для

получения продукции и полуфабрикатов в виде катанки, прутков и проводов из

различных металлов и сплавов.

В структуру диссертации входит введение, четыре главы и заключение.

В первой главе приведен анализ современного состояния производства

контактных проводов для железнодорожных высокоскоростных магистралей,

выполнен обзор и анализ существующих технологий, показаны достигнутые на

данный момент мировые результаты в данной области. Рассмотрены и

обоснованы технические требования к разрабатываемым и производимым

контактным проводам, применяемым на железнодорожных высокоскоростных

магистралях.

Во второй главе приведена принципиальная схема предлагаемой

технологии, показаны и научно обоснованы особенности такого подхода.

Представлены основные методические подходы, использованные при проведении

исследований. Дано описание технических решений, необходимых для

осуществления технологического процесса получения наноструктурированных

контактных проводов с повышенным комплексом физико-механических и

эксплуатационных свойств.

В третьей главе представлены результаты исследований тепловых полей,

силовых параметров и напряженно-деформированного состояния металла при

9

пластической обработке по предложенной схеме, полученные методом конечно-

элементного компьютерного моделирования. Приведены результаты

математической оптимизации процесса радиального обжатия.

В четвертой главе представлены результаты исследований процесса

получения лабораторных образцов наноструктурированного контактного провода

с помощью физического эксперимента по предложенной схеме пластической

обработки. Физический эксперимент по получению лабораторных образцов

осуществлялся методом ковки на пневматическом молоте с последующей

обработкой равноканальным угловым прессованием с выдавливанием.

Исследованы особенности формируемой структуры, физико-механические и

эксплуатационные свойства полученных лабораторных образцов

наноструктурированного контактного провода.

Достоверность полученных результатов и выводов, разработанных

методических подходов и технологических приемов основана на применении

комплекса апробированных и сертифицированных современных методов

исследований металлов и сплавов (в том числе медных), включая конечно-

элементное компьютерное моделирование, статистическую обработку

результатов, интерпретацию экспериментальных данных и определение

погрешностей измерений. Полученные результаты обработаны с использованием

основных закономерностей структурообразования и формирования физико-

механических и эксплуатационных свойств низколегированных медных сплавов

при комбинировании методов обработки металлов давлением, обладают

воспроизводимостью и согласуются с известными работами в данной области

исследований.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Схема пластического структурообразования, включающая

комбинацию немонотонной пластической обработки методами интенсивной

пластической деформации (радиальной ковкой и РКУП-«Конформ» с

выдавливанием) для получения контактного провода из термоупрочняемого

низколегированного сплава системы Cu-Cr с ультрамелкозернистой структурой

10

смешанного типа, характеризующейся такими наноразмерными элементами

структуры как субзерна и упрочняющие частицы вторых фаз, определяющими

повышенный комплекс физико-механических свойств.

2. Условия формирования смешанной структуры зеренно-субзеренного

типа со средним размером областей когерентного рассеяния 160±16 нм и

размером частиц вторых фаз менее 100 нм и новый комплекс физико-

механических свойств контактного провода из сплава Cu-0,65Cr, превосходящий

требования ГОСТ Р 55647-2013 для контактных проводов условной группы Бр2

на 20 % по пределу прочности (560 МПа), на 14% по электропроводности

(76 % IACS), в два раза по относительной пластичности (23 %).

3. Математические модели (регрессионные уравнения), определяющие

взаимосвязь технологических параметров процесса радиального обжатия

(скорость подачи и конструкционное исполнение бойков) с геометрическими

параметрами и деформированным состоянием заготовки.

Апробация результатов диссертационного исследования:

Основные положения и результаты, изложенные в диссертационной работе,

доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах: Второй

междисциплинарный молодежный научный форум с международным участием

«Новые материалы» (г. Сочи, 2016 г.); Fourth international conference COMAT 2016

– Recent Trends in Structural Materials (г. Пльзень, Чехия, 2016 г.); 24th International

Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials - ISMANAM

2017 (г. Сан-Себастьян, Испания, 2017 г.); Седьмая Международная конференция

"Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов"

(г. Москва, 2017 г.); Scientific conference on copper materials - Copper Alloys 2018

(г. Милан, Италия, 2018 г.); IX-я Евразийская научно-практическая конференция

"Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2018" (г. Москва, 2018 г.);

13th International Conference on Superplasticity in Advanced Materials - ICSAM 2018

(г. Санкт-Петербург, 2018 г.); VII Международная конференция с элементами

научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые

вещества» (г. Суздаль, 2018 г.).

11

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи

опубликованы в изданиях, определённых в перечне рецензируемых научных

журналов и изданиях ВАК.

Автор выражает благодарность сотрудникам Научно-исследовательского

института физики перспективных материалов УГАТУ и отдельно Аксенову

Денису Алексеевичу, оказавшим большую помощь и поддержку при выполнении

данной работы.

12

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Высокоскоростные железнодорожные магистрали мира

Высокоскоростная железнодорожная магистраль (ВСМ) является

разновидностью железнодорожного транспорта, скорость движения которого

превышает 250 км/ч [5,6]. Впервые ВСМ, с названием «сверхскоростной

пассажирский экспресс», появилась в Японии в 1964 году. Изначально, согласно

[6], первая ВСМ, построенная в Японии, предназначалась как для пассажирских,

так и для грузовых перевозок. Но грузовые перевозки так и не были реализованы.

При этом концепция ВСМ только для пассажирских перевозок стала в мире

основной. Второй ВСМ, построенной в мире, стала линия, соединяющая Париж и

Лион. Одним из существенных отличий от японского исполнения является то, что

в европейском варианте магистраль имеет связь с существующими обычными

железнодорожными станциями. В дальнейшем ВСМ начали появляться во многих

странах мира: Испании, Китае, Германии, Швеции, России, Италии, Тайване и др.

Например, в настоящее время протяженность линий ВСМ в Германии составляет

более 1200 км, при максимальной скорости движения 330 км/час. В последнее

время ВСМ очень активно развивается в Китае [7]. По состоянию на 2013 год уже

более половины ВСМ Китая имели скорость движения 350 км/час. При этом, по

данным ОАО «РЖД» АО «Скоростные магистрали», общая протяженность ВСМ

Китая на сегодняшний день составляет порядка 27000 км (рисунок 1). На данный

момент это наиболее развитая ВСМ в мире.

13

Рисунок 1 – Протяженность ВСМ в различных странах мира [6]

Согласно источнику [5], на сегодняшний день многие из запланированных

проектов ВСМ все еще находятся на стадии технико-экономического

обоснования. Так, в планах Совета по сотрудничеству стран Персидского залива

(ОАЭ, Оман, Катар, Бахрейн, Кувейт, Саудовская Аравия) сделать один из

участков сети железных дорог высокоскоростной магистралью. Например, Катар,

где в 2022 году будет проходить чемпионат мира по футболу, заявил о планах

соединить скоростной магистралью Бахрейн и Саудовскую Аравию к этому

времени.

Конечно, с учетом высокой стоимости проезда на ВСМ, разработка и

строительство ВСМ целесообразно в местах с высокой плотностью и большим

трафиком населения. Например, на Тайване проложена высокоскоростная линия

вдоль западного побережья страны из столицы Тайбэй в южный город Гаосюн,

обслуживающая около 90 % населения страны.

Таким образом, исходя из исторических, географических и социальных

особенностей развития того или иного региона, развитие высокоскоростных

железнодорожных магистралей является устойчивой тенденцией, направленной

на ускорение коммуникационных явлений современного мирового

сообщества [6].

14

1.2 Современные технические требования, предъявляемые к контактным

проводам

На сегодняшний день в России основной материал, применяемый при

изготовлении контактных проводов – технически чистая медь. Но, исходя из

особенностей предъявляемых технических требований, контактные провода

высокоскоростного железнодорожного транспорта нельзя изготавливать из марок

технически чистой меди.

Если рассматривать нагрузки на традиционных железнодорожных линиях в

условиях невысоких скоростей (до 160 км/ч), то, согласно [8,9], сила натяжения

провода с площадью поперечного сечения 100 мм2 составляет порядка 10 кН, что

соответствует напряжению, равному 100 МПа. Для провода, изготовленного из

технически чистой меди, временное сопротивление растяжению равно

350-370 МПа, с коэффициентом запаса прочности около 3,5. Для обеспечения

нормальной эксплуатации контактной сети (в том числе, стабильный токосъем)

при скорости движения состава около 300 км/ч необходимо увеличение силы

натяжения до 27 кН для площади 150 мм2 и до 19,6 кН для

площади 110 мм2 [9-11].

Одновременно с высокими силами натяжения, на контактный провод

действуют тепловые нагрузки, вызванные проходящим током. При этом

температура провода достигает 120-160 ˚С [12]. Такие значения температуры

близки к значениям температуры начала рекристаллизации технически чистой

меди (для марки М1 Трекр. ~180 ˚С). Более того, согласно проведенным

исследованиям [9], контактный провод, изготовленный из меди, очень быстро

разупрочняется при совокупном воздействии температуры порядка 100 ˚C и

растягивающей нагрузке 110 МПа. После 250 часов работы в таком режиме

наблюдается частичная рекристаллизация, а после 500 часов – полная, со

снижением прочностных характеристик провода до 30 %, а также уменьшением

поперечного сечения. По этой причине для изготовления контактного провода

высокоскоростной железной дороги используют низколегированные бронзы,

15

обладающие повышенными, относительно меди, значениями прочности и

жаропрочности. Авторами также приведена таблица сравнительных испытаний

медных и низколегированных проводов при такой комбинированной нагрузке

(таблица 1).

Таблица 1 – Изменения структуры металла провода и его прочности в зависимости от температуры нагрева транзитным током и растягивающих напряжений [9]

Условия

воздействия на

провод

Виды контактных проводов

медный Cu-0,011%Sn Cu-0,048%Sn Cu-

0,015%Mg

Cu-

0,05%Mg

Температура

нагрева, °C 100 100 100 100 100 100 100 160 100 175

Время нагрева

транзитным

током, ч

250 500 250 250 250 500 500 500 500 500

Усилия

растяжения,

кН

11 11 11 15 11 15 15 11 15 11

Способ определения прохождения рекристаллизации

Рентгеновский Интерференционные максимумы на

рентгенограммах Нет

Интер

ферен

ционн

ые

макси

мумы

Нет

Металлографи

ческий

Отдел

ьные

равно

осные

зерна

Рекристалл

изация

обработки

Стру

ктура

дефо

рмац

ии

Отдел

ьные

равно

осные

зерна

Структу

ра

деформ

ации

Отдел

ьные

равно

осные

зерна

Структура деформации

Снижение

прочности при

растяжении, %

12 Выше 30 8 14,4 6 13,3 3 3,1 3,0 2,0

16

Введение в медь легирующих элементов, как правило, не превышающих

одного весового процента, заметно повышает температуру рекристаллизации

меди и её термостабильность. Как правило, термоупрочняемые бронзы имеют

более высокую термостабильность, чем деформационно-упрочняемые бронзы.

Дальнейшее повышение весового содержания легирующих элементов не

оказывает значительного воздействия на температуру рекристаллизации [1] и

прочностные свойства, но заметно снижает электропроводность [3], что является

нецелесообразным применительно к контактным проводам. Например, даже

содержание легирующих элементов до 1 процента приводит к повышению

электросопротивления бронзы и к необходимости использования проводов с

увеличенной площадью поперечного сечения. Поэтому площадь поперечного

сечения бронзовых контактных проводов имеет ограничения и должна составлять

не менее 120 мм2 [8].

Таким образом, для высокоскоростного железнодорожного транспорта

возникает необходимость в применении контактных проводов нового поколения,

которые должны отвечать комплексу требований к физико-механическим и

эксплуатационным характеристикам. Основные требования приведены ниже:

1. Высокая термостабильность – диапазон работы от -50 до 80 ˚C при

разогреве до 160 ˚C;

2. Высокая прочность – более 450 МПа (в зависимости от силы

натяжения от 28 до 36 кН);

3. Высокая электропроводность – 62…85 % (согласно

ГОСТ Р 55647-2013);

4. Высокая износостойкость – износ при высоких скоростях движения

допускается до 20 %. Данное значение обусловливается увеличением площади

поперечного сечения для компенсации пониженной электропроводности

бронзовых сплавов в сравнении с чистой медью;

5. Высокая пластичность – прочностные характеристики не должны

препятствовать прохождению приработки в виде пластической деформации

17

поверхностный слоев контактного провода, т.е. при повышении прочности не

должны снижаться показатели пластичности [13].

1.3 Способы и технологии получения контактных проводов

Одной из первых технологий получения медных контактных проводов была

послитковая прокатка медной катанки с последующим соединением прокатанных

кусков пайкой. Слитки меди массой порядка 100 кг нагревали в методических

газовых печах до температуры T = 850-900 ˚C и прокатывали на проволочно-

петлевых станах за 8 проходов до диаметра 18 мм. Окалину, образующуюся в

процессе обработки, удаляли травлением в растворе серной кислоты. Далее,

используя серебряный припой, соединяли катанку (до 14-15 стыков) на

требуемую строительную длину провода [3].

Следующим этапом развития производства медной катанки стало

применение установок непрерывного литья, совмещаемого с горячей прокаткой

(НЛП). Впервые производство таких линий было организовано итальянской

фирмой «Continuus-Properzi». Причем изначально эти установки были

предназначены для получения алюминиевой катанки, но с течением времени была

освоена технология изготовления и медной катанки. Общая схема линий

«Continuus-Properzi» показана на рисунке 2 [14].

Рисунок 2 – Схема установки непрерывного литья и прокатки:

1 – печь-миксер; 2 – кристаллизатор; 3 – литейная яма; 4 – датчик автоматической

разливки металла; 5 – рольганг; 6 – прокатный стан; 7 – система охлаждения

катанки; 8 – натяжное устройство; 9 – моталка [14]

18

Наряду с «Continuus-Properzi» одним из лидеров производства таких линий,

для изготовления медной легированной катанки диаметром 8, 14, 16, 18 и 22 мм

является американская фирма «Southwire» (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема установки непрерывного литья и прокатки:

1 – шахтная печь; 2 – накопительный миксер; 3 – миксер для легирования;

4 – роторный кристаллизатор; 5 – литейная ванна; 6 – прокатный стан; 7 – система

восстановления и охлаждения катанки; 8 – приемное устройство; 9 – стальная

полоса; 10 – литая заготовка; 11 – раздаточная трубка расплава меди

Особенностью НЛП «Southwire» является возможность управления

режимами охлаждения литой заготовки и раската, что позволяет получать катанку

повышенного качества [3].

Развитие направления по повышению свойств контактных проводов идет

также в плане совершенствования конструктивных исполнений, в частности

создания биметаллического провода. Такой провод состоит из прочного

сердечника, как правило стального, плакированного материалом с высокой

электропроводностью. Сердечник выполняет силовую функцию,

воспринимающего нагрузки от силы натяжения, тяжести провода, налипшего

снега и ветровых нагрузок. Наружный слой медный или алюминиевый.

Алюминий обладает меньшей массой и дешевле, но имеет худшие

19

характеристики электропроводности, износо- и теплостойкости. Медь, в свою

очередь, имеет лучшие характеристики, но является более дорогим

материалом [15].

Большое количество технологий изготовления проводов такого типа было

разработано и до сих пор разрабатывается в мире. Но, несмотря на преимущества,

такое конструктивное исполнение провода затрудняет создание дешевых

способов переработки изношенных проводов, что сдерживает их широкое

использование.

Вследствие этого наметилась другая тенденция: улучшать

эксплуатационные характеристики материала провода за счет деформационного

упрочнения и легирования.

Согласно ГОСТ Р 55647-2013 российская номенклатура сплавов для

проводов железных дорог делится на три группы: медь, низколегированная медь и

бронза (условная группа Бр) [16].

Дальнейший анализ источников литературы позволил найти

нижеследующую информацию касательно разработок и вариантов изготовления

контактных проводов.

Российской фирмой «ФИНАО» [17-19] разработано и предложено

несколько способов изготовления контактного провода из медного сплава с

добавками различных легирующих элементов методом непрерывной разливки и

прокатки. В результате получают катанку для изготовления контактного провода

с высокими электромеханическими свойствами без термообработки. К

особенностям следует отнести то, что провод имеет различные физико-

механические свойства по высоте сечения: нижняя часть более прочная и твердая,

верхняя часть обладает высокой электропроводимостью. Похожие технологии

получения дисперсно-упрочненных медных сплавов предложены также в заявках

и патентах c закалкой на стадии литья [20].

Известным специалистом в области создания и исследования технологий и

свойств контактных проводов В.Я. Берентом разработано несколько способов

совмещенного непрерывного литья и прокатки меди и ее сплавов [21].

20

Например, с целью обеспечения стабильно высоких свойств в получаемых

проводах, а также исключения из технологии специальной термической

обработки, технология включает легирование в восстановительной атмосфере,

модифицирование расплава перед кристаллизатором, формирование

непрерывнолитой заготовки трапециевидного сечения и последующую ее

прокатку. Для обработки расплава используют изделия на основе порошковой

спеченной меди. Отношение большего основания трапеции к ее высоте порядка

1,78-1,88. Заготовка снимается с кристаллизатора при температуре 625-670 °C.

Еще одной разработкой является способ получения контактных проводов из

сплавов на основе меди [22]. В данном патенте рассматриваются варианты

изготовления длинномерных изделий методом непрерывного литья с прокаткой.

В первом варианте производится прокатка на катанку непрерывной заготовки из

медных сплавов с содержанием магния 0,04-0,34 % или олова вместе с одним или

несколькими элементами, имеющими большее сродство к кислороду, чем у олова,

в суммарном количестве не более 0,12 %. Во втором варианте используется сплав

на основе меди с содержанием магния 0,4-0,25 % и фосфора или железа 0,8-0,12 %

и фосфора. В обоих случаях скорость охлаждения в кристаллизаторе более 15 °С/с

и прокатка завершается с температурой раската не выше 400 °С. Технология

подразумевает перестаривание катанки при 500-525 °С в течение

1,0-1,5 ч. Профиль провода формируется на заключительной стадии (степень

деформации 56-60 %). При этом достигается электропроводность 85-95 % от

электропроводности чистой меди, а также повышаются механические свойства.

Существует способ изготовления бесстыковых контактных проводов,

обеспечивающий требуемый комплекс эксплуатационных характеристик [23].

Приведенный подход отличается получением расплава металла в печи с инертной

атмосферой. Данная печь включает в себя три зоны – плавления, легирования и

выдачи готового металла. Далее из литой заготовки формируют профиль провода

в два этапа пластической обработкой. В результате первого этапа методом

волочения (величина деформации 15-50 %) получают круглый пруток. На втором

этапе проводят обработку прутка с помощью прокатки со степенью

21

геометрической деформации 50-70 %. В результате применения данных

технологических решений на стадии литья исключается попадание в готовый

провод малозаметных литейных дефектов. Вторым преимуществом применения

данной технологии является повышение механических свойств изготавливаемого

провода.

Довольно оригинальный способ получения контактного провода разработан

ВНИИПКиТ кабельной промышленности совместно с ВНИИЖТ [24]. В способе

предлагается непрерывное литье заготовки с последующей прокаткой и

волочением. При этом в процессе литья в рабочую зону контактного провода

вводят пруток-холодильник, обеспечивающий формирование мелкого зерна и

лучшие показатели пластичности.

Фирмой «Mitsubishi materials corporation» (Япония) совместно с

исследовательской организацией «Railway technical research institute» [25]

разработана технология получения контактного провода с использованием

методов непрерывного литья, закалки и старения. Медная основа содержит 0,1 до

1,0 % Cr, 0,01 до 0,3 % Zr, а также 0,001 до 0,05 % Si либо Mg. Плавку

осуществляют с помощью восстановительного газа с содержанием кислорода не

более 10 ppm. В результате литьем получаются слитки диаметром 250 мм и

длиной 3 м, далее горячей прокаткой с последующей термической обработкой

изготавливается проволока.

Также «Mitsubishi materials corporation» [26] применила термоупрочняемый

сплав на основе меди, легированной хромом, цирконием, кремнием, фосфором

при разработке технологии производства троллейного провода для

высокоскоростных магистралей. Результаты подробного исследования такого

сплава приведены в статье [11]. Согласно статье, исследователями достигнут

предел прочности порядка 600 МПа при электропроводности 82 % IACS.

Обработка сплава в этом случае включала закалку, холодную пластическую

обработку с последующим старением.

Технология изготовления контактного провода, в основе которой лежит

применение непрерывного литья и процесса «Конформ», описана фирмой «BICC

22

PLC» в патенте [27]. По данной технологии обрабатывается кадмиевая бронза с

небольшими добавками магния до 0,25 %, серебра до 0,4 %, до 0,01 % фосфора,

до 0,2 % олова. В результате, при степени деформации 99,94 %, достигнута

электропроводность на уровне 75 % IACS.

Phelps «Dodge industries inc.» [28] разработана технология получения

троллейного медного (99,90 %) провода с незначительными (до 0,1 %) добавками

различных элементов: Ag, Cd, Te, Ti, Mg, Mn, Cr, Sn. По предложенной

технологии, отливают круглый пруток диаметром 22-32 мм, далее горячий

«Конформ» процесс с уменьшением диаметра до 19 мм и холодная деформация на

заключительном этапе. За счет незначительного суммарного количества

легирующих элементов сохраняется высокая электропроводность, вплоть до

величины IACS после горячей деформации на уровне 100 %, а после холодной

деформации на уровне 99 %.

Компания «Furukawa Electric company ltd.» предложила технологию [29, 30]

производства низколегированного медного сплава для троллейного провода.

Сплав включает в себя добавки Zr, Mg, Zn, Ag, Cd.

Наряду с данными разработками для высокоскоростных магистралей этой же

фирмой представлена технология производства медного сплава с высоким

содержанием хрома (до 30 %).

Японской фирмой «Sumitomo electric industries ltd.» [31, 32] разработана

технология производства провода на основе медного сплава с добавками олова

(до 0,5 %) и хрома. Способ включает горячую деформацию до

80 % при температуре 600 °C или более, а также дальнейшую холодную

деформацию порядка 70 % или выше. Предел прочности составляет порядка

460 МПа при электропроводимости в 60 % и более.

Еще две японские компании применяют олово как основной элемент

легирования для производства низколегированных контактных проводов: «Hitachi

cable» [33] и «Fujikura ltd.» [34]. «Hitachi Cable» применяет литье при

1100-1150 °C, горячую прокатку, а также холодную пластическую обработку со

23

степенью обжатия более 50 %. Однако электропроводность получается низкой –

на уровне 60 % IACS.

Китайским исследователями [35] предложено выпускать медный сплав для

изготовления прочного низколегированного медного провода. В качестве

легирующих элементов использованы: Cr – 0,02…0,08 %; Zr – 0,06…0,28 %;

B – 0,02…0,15 %; Nb – 0,02…0,08 %; Ce –0,02…0,08 %. Авторами заявлено что

твердость составляет 84-92 HRB, температура разупрочнения составляет 620 °С,

что является хорошим показателем.

Согласно источнику [15] одними из современных и перспективных

направлений развития технологий получения и обработки контактного провода

являются следующие:

1. Использование в качестве материала контактного провода

низколегированных сплавов меди. Применение данных материалов позволяет

получать достаточно прочные провода с высокой электропроводимостью. Также

для заводов России характерно использование в качестве легирующего элемента –

кадмия. К преимуществам стоит отнести повышенную износостойкость в

совокупности с удовлетворительной электропроводимостью. Недостаток –

экологическая вредность производства и эксплуатации провода, содержащего

токсичный элемент. Также на данный момент очень распространено применение

в качестве легирующего элемента – олова. В России производство таких проводов

освоено на предприятии ЗАО «ТРАНСКАТ» (сплавы НлОл 0,04 и БрОл 0,15).

2. Для Европы на данный момент характерно производство провода из

низколегированных сплавов меди с серебром и другими микролегирующими

добавками. Проблем токсичности здесь меньше, чем при применении кадмия. Но,

с другой стороны, сплавы меди с серебром не являются термически

упрочняемыми, этот факт не позволяет достигнуть максимальных значений

эксплуатационных свойств. В качестве примера европейского подхода служит

продукция бельгийской фирмы «Lamifil». Данная компания производит

троллейные провода из сплавов систем Cu-Ag, Cu-Mg и в последнюю очередь

Cu-Cd.

24

3. Современная промышленность Японии активно разрабатывает

технологии получения проводов из термически упрочняемых сплавов меди с

цирконием и хромом. Данное направление является наиболее сложным для

проектирования, так как требует создания непрерывных линий разливки и

термомеханической обработки, включая пластическую обработку, закалку и

старение.

В итоге следует констатировать, что в настоящее время массовое

производство катанки в основном осуществляется на установках НЛП. Литая

заготовка имеет поперечное сечение 2200-2800 мм2. Основными технологиями

изготовления контактных проводов, как в России, так и за рубежом, являются

волочение и прокатка [1, 15]. Также необходимо обратить внимание, что в

последнее время активно развивается процесс выдавливания по схеме

«Конформ», позволяющий формировать конечную форму длинномерных изделий

с высоким качеством поверхности. С технологической точки зрения каждый из

данных способов обладает определенными преимуществами и недостатками.

Применение прокатки при изготовлении контактного провода может быть

обусловлено рядом преимуществ прокатки, а именно [1]:

- получаемые прокаткой контактные провода обладают сравнительно

лучшими характеристиками прочности, твердости, износостойкости, а также

пластичности;

- валки изготавливаются с использованием прецизионных станков, что

повышает точность размеров и формы получаемого провода;

- благодаря схеме приложения сил в очаге деформации в процессе

обработки устраняются несплошности в металле;

- качество поверхности контактного провода не зависит от дефектов

поверхности катанки;

- валки обладают большой износостойкостью, что позволяет обрабатывать

до 100 тонн металла без потери точности размеров.

Если при производстве контактного провода применять только прокатку, то

одно из важных преимуществ использования прокатки заключается в том, что для

25

достижения прочности, соответствующей деформации 75 % при волочении, при

прокатке достаточно 60 % деформации.

Также прокатка обладает и рядом недостатков:

- конструктивно более сложные непрерывные станы;

- сложнее настройка оборудования, соответственно, требуется более

квалифицированный персонал;

- необходимость обеспечивать прямолинейность заготовки перед вводом ее

в стан [1];

-большие энергозатраты.

Основным преимуществом применения технологии волочения является

простота процесса и оборудования. Процесс волочения является

высокопроизводительным и с учетом точного изготовления фильер и при

своевременной их замене обеспечивает необходимую точность размеров

поперечного сечения. Благодаря высоким растягивающим напряжениям в очаге

деформации в процессе обработки обеспечивается прямолинейность контактного

провода [1].

С другой стороны, из-за схемы напряженного состояния металла при

волочении увеличиваются микротрещины и поры, а это, в свою очередь, ведет к

снижению механических характеристик, что обусловливает сравнительно более

высокие требования к качеству поверхности. Еще один недостаток волочения –

низкая пластичность получаемых проводов, приводящая к сложности заправки

катанки в фильеры [1].

Через одну фильеру можно проволочить порядка 5 тонн провода до того,

как нарушатся необходимые размеры. В таких условиях к недостаткам следует

отнести необходимость доводки фильеры до требуемых размеров вручную, что

усложняет процесс изготовления проводов и повышает их себестоимость.

Таким образом, в большинстве случаев современная технология

изготовления железнодорожных контактных проводов включает в себя

следующие этапы [13]:

26

1) Получение расплава металла из шихты – осуществляется в газовой

шахтной печи;

2) Процесс легирования в литейной ванне;

3) Кристаллизация с формообразованием литой заготовки;

4) Прокатка полученной заготовки для уменьшения сечения до нужного

размера;

5) Полученная катанка после прокатного стана проходит систему

осветления поверхности от окислов;

6) Формируется бухта (вес 3-5 тонн), упаковывается и отправляется на

7) изготовление контактного провода;

8) Далее с помощью волочильных станов за несколько этапов обработки

происходит формирование профиля провода;

9) На финальном этапе при необходимости выполняется термическая

обработка контактного провода для формирования окончательных физико-

механических свойств.

1.4 Современные направления развития методов пластической обработки

с целью совершенствования физико-механических свойств проводниковых

материалов

Одним из перспективных направлений развития современных технологий

обработки и получения длинномерных изделий является комбинирование

литейных операций с методами обработки металлов давлением. Реализуя данный

подход, можно разрабатывать процессы и технологии, повышающие

эффективность производства. Применение комбинированных технологий

способствует существенному повышению производительности труда,

сокращению затрат благодаря уменьшению количества малопроизводительных

операций в технологической цепи. Также совмещение операций способствует

уменьшению требуемых производственных площадей. Стоит отметить, что

энергия, выделяющаяся при операциях литья и пластической обработки металла,

27

может быть использована на последующих этапах обработки изделий, что, в свою

очередь, также позволит сократить производственные затраты и, соответственно,

конечную цену для потребителя [36].

Согласно данным, приведенным в источнике [37], метод непрерывного

прессования по схеме «Конформ» с использованием разъемного контейнера

становится все более широко используемым при производстве профилей из

цветных металлов. Дальнейшее развитие данный способ получил при реализации

совмещенного процесса: «Конформ - непрерывное литье металла». Так, в

современных технологических линиях с оборудованием по схеме «Конформ»

используются кристаллизаторы непрерывного действия.

Один из первых вариантов технологии совмещенного литья-прессования

называется «Кастэкс». Данная технология была запатентована в Англии в конце

20-го века. Схема установки для реализации данного метода показана на

рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема установки Кастэкс:

1 – дозатор; 2 – регулятор расхода жидкого металла; 3 – расплавленный металл;

4 – матрица; 5 – фронт кристаллизации; 6 – камера сварки; 7 – полые профили;

8 – упор; 9 – колесо; 10 – ручей колеса; 11 – вставка

28

Результаты исследований данных подходов описаны в работах [38-40].

В настоящее время наиболее технологичными и распространенными

способами непрерывного прессования являются «Конформ», «Лайнекс» и

«Экстроллинг». Для данных методов характерен высокий выход годной

продукции. Существенным преимуществом при применении таких подходов

является возможность пластического деформирования непрерывно-литой

заготовки за один цикл обработки. Примером реализации таких подходов

являются установки «Конформ» фирмы «Холтон Машинери». Данные «Конформ-

машины» обладают высокой мобильностью, позволяют осуществлять

варьирование от одного типоразмера к другому, отличаются высокой

производительностью. Принципиальная схема процесса непрерывного

прессования по способу «Конформ» показана на рисунке 5. Однако недостатком

является ограничение максимальных размеров обрабатываемой заготовки. Так,

при диаметре колеса 500 мм и минимальной мощности электродвигателя 300 кВт

максимальный диаметр заготовки составляет не более 20 мм.

Рисунок 5 – Принципиальная схема процесса непрерывного прессования по

способу «Конформ» [41, 42]:

1 – рабочее колесо; 2 – кольцевая канавка; 3 – башмак; 4 – кольцевая вставка;

5 – вставка; 6 – матрица; 7 – заготовка; 8 – изделие; 9 – валок

29

Известные российские и зарубежные ученые, такие как Б. Авитцур,

Р. Гржиб, В.Л. Бережной, М.С. Гильденгорн, В.Н. Корнилов, Н.Н. Довженко и др.,

в своих работах показали возможные технические решения, необходимые для

реализации процесса «Экстроллинг». Одним из таких вариантов является метод,

называющийся «совмещенная прокатка-прессование» (СПП). Развитием данного

метода стал процесс совмещенного литья и прокатки-прессования (СЛиПП),

показанный на рисунках 6, 7 [43, 44]. Данные технологические подходы и

решения расширяют технологические возможности для получения длинномерных

изделий, а также не имеют перечисленных выше недостатков.

Рисунок 6 – Общий вид устройства для непрерывного литья, прокатки и

прессования [41, 42]:

1 – печь-миксер; 2 – расплав; 3 – валок с ручьем; 4 – валок с выступом;

5 – матрица; 6,7 – каналы для охлаждения матрицы; 8 – пресс-изделие;

9 – индуктор

30

Рисунок 7 – Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования с

применением метода ИПД [44]:

1 – печь-миксер; 2 – регулятор подачи расплава; 3,4 – валки; 5 – полости для

охлаждения валков; 6 – форкамера; 7,9 – каналы для охлаждения матрицы; 8 –

матрица; 9 – моталка

Метод СЛиПП обладает хорошим потенциалом. В том числе, за счет

варьирования температур матрицы и валков можно увеличивать

производительность технологического процесса, повышать качество получаемых

изделий. А также с помощью применения подходов ИПД становится возможным

дополнительное повышение механических характеристик деформированных

полуфабрикатов. Данный подход использован в разработке [44], в предлагаемом

устройстве прессование осуществляется в матрице с форкамерой. Особенностью,

позволяющей реализовать подход ИПД – схему равноканального углового

прессования, является угол между осями цилиндрической полости форкамеры и

калибрующего отверстия матрицы, варьируемый в пределах 90-175º. Благодаря

применению схемы РКУП происходит интенсификация процесса измельчения

структуры при пластической деформации, формируется более однородная

мелкозернистая структура металла, и существенно повышается уровень

механических свойств.

31

Согласно литературному источнику [45], один из подходов,

способствующих повышению комплекса физико-механических свойств в

материалах электротехнического назначения – формирование в обрабатываемых

изделиях УМЗ структуры. В последние годы уделяется большое внимание

развитию технологий, использующих подходы интенсивной пластической

деформации [45-52, 57]. Их основной задачей в данном случае является получение

объемных УМЗ заготовок, в том числе длинномерных.

Так, например, еще одной развиваемой технологией обработки и получения

длинномерных изделий является метод равноканального углового прессования по

схеме «Конформ» [53-56].

Впервые данные о применении метода РКУП-«Конформ» были показаны

учеными в работе [54]. В данном случае обработке была подвергнута медь. В

дальнейшем метод был применен при обработке других металлов и сплавов

[58-63]. Принципиальная схема РКУП-«Конформ» для непрерывной обработки

длинномерных заготовок представлена на рисунке 8.

Особенностью данного метода является схема простого сдвига в

непрерывном режиме [64]. Сдвиговые деформации способствуют накоплению

суммарной истинной деформации порядка е = 4-5, причем наиболее эффективно

применение такой схемы с точки зрения достижения максимальных физико-

механических свойств материала в режиме холодной обработки [65].

32

Рисунок 8 – Принципиальная схема РКУП-«Конформ» для обработки

длинномерных заготовок [57]:

1 – корпус; 2 – приводной валок; 3 – секторная вставка; 4 – заготовка; 5 – колодка;

6 – ось; 7 – упор; 8 – зажим; 8 – матрица; 9 – моталка

Исходя из проведенных исследований, метод позволяет повысить

прочностные характеристики материалов, улучшить комплекс функциональных

свойств, достичь однородной ультрамелкозернистой структуры. Однако метод

РКУП-«Конформ» имеет ряд определенных недостатков. К ним стоит отнести

необходимость многоцикловой обработки и, как следствие, повышенный уровень

затрат, также остается нерешенным ряд вопросов трибологического характера.

Стоит отметить, что для достижения максимального улучшения свойств

необходимо применять РКУП-«Конформ» как дополнительную операцию к

существующим традиционным технологиям, что приведет к значительному

удорожанию и усложнению процесса получения продукции требуемого качества.

Еще одним из основных методов ИПД является всесторонняя ковка, которая

обеспечивает получение довольно габаритных заготовок с УМЗ структурой [66].

Применительно к получению длинномерных УМЗ металлических заготовок

повышенной прочности были разработаны методы, использующие радиальное

обжатие в двух взаимно перпендикулярных направлениях [67,68] или

ротационную ковку с большими степенями обжатия [69,70]. Также есть примеры

использования комбинированной обработки с ротационной

33

ковкой [71]. Учеными показана возможность создания таких режимов

радиального обжатия, которые могут привести к получению в деформируемых

заготовках ультрамелкозернистой или наноструктуры, обеспечивающей

повышенные характеристики прочности и пластичности.

В работе [67] авторами исследовались структурные особенности, а также

получаемые в результате обработки методом радиального обжатия свойства

титанового сплава ВТ6. Деформирование прутков сплава ВТ6 осуществлялось на

радиально-ковочной машине «GFM» SXP-16. Перед обработкой материал был

предварительно нагрет на заданную температуру, затем производилась ковка с

диаметра 50 мм на диаметр 35, 21 и 15 мм за несколько этапов, с шагом ~5 мм за

проход. Охлаждение заготовок после обработки производили на воздухе. Степень

деформации рассчитывалась по формуле (1):

(1)

где F0 – площадь поперечного сечения до обработки, а F – конечная

площадь поперечного сечения заготовки.

Радиальное обжатие проводилось в интервале температур 680 – 500 °С.

Общая накопленная деформация в конце обработки составила е = 2,67.

В результате исследователями показано, что при такой обработке происходит

формирование УМЗ структуры, при этом размер зерен составляет менее 0,5 мкм.

Формирование данного структурного состояния приводит к повышению предела

прочности до 1315 МПа, уровень пластичности составляет 10,5%, при этом

происходит снижение температуры сверхпластичности до 600 °C.

В работе [70] исследователи показали результаты конечно-элементного

компьютерного моделирования процесса радиального обжатия медной заготовки

круглого сечения. В работе были применены фигурные бойки. Кантовка

заготовки выполнялась на угол от 45° до 90° перед каждым циклом обработки. В

результате сделаны выводы о высоком потенциале применения метода

радиального обжатия с целью получения однородного деформированного

34

состояния с уровнем накопленной деформации ε≥1,0, при этом геометрическая

деформация не превышает 30 % от начального уровня. Данный факт является

важным для определения возможности формирования УМЗ структуры в металле

методом радиального обжатия ввиду возможности накопления больших степеней

деформации без активной редукции исходного сечения.

В научном труде [72] учеными исследовалась эволюция микроструктуры

аустенитной нержавеющей стали в процессе ИПД многократной ковкой при

температурах 500 и 800 °С. Исследование проводили на стали 08Х18Н8Д3Б.

Исходная термообработка стали заключалась в выдержке в течение 30 минут при

температуре 1100 °С с дальнейшей закалкой в воду. Образцы для всесторонней

ковки были следующих размеров: 15х12,2х10 мм. Для исследования динамики

структурных изменений в процессе всесторонней ковки образцы призматической

формы деформировали до следующих значений истинной степени деформации:

0,4; 1,2; 2,0; 4,0. Авторами показано, что УМЗ структура в исследуемом сплаве

формируется при температурах 500 и 800 °С. Средний размер зерен при такой

обработке составляет 0,22 и 0,69 мкм, а доля высокоугловых границ составляет

50-55 %. Однако обработка при 800 °С приводит к формированию структуры,

отличающейся высокой долей (20 % всех высокоугловых границ зерен)

специальных двойниковых границ. Показано, что формирование структурных

особенностей при 800 °С происходит вследствие прерывистой динамической

рекристаллизации. Уменьшение температуры деформации до 500 °С, в свою

очередь, ведет к тому, что новые зерна образуются в условиях непрерывной

динамической рекристаллизации.

Влияние методов ИПД и режимов термической обработки на структуру и

механические свойства титанового сплава ВТ6 показано в работе [68]. В данном

исследовании в качестве метода ИПД рассматривается всесторонняя

изотермическая ковка. Авторы сделали вывод о том, что повышенные

прочностные свойства в данном сплаве можно получить, применяя оптимальные

режимы для термической и термомеханической обработки после пластической

деформации методом всесторонней изотермической ковки (ВИК). В результате

35

проведенных исследований показано, что после ВИК, последующей закалки

(960 °С) и последующего старения (480 °С) предел прочности σВ достигает

1540 МПа, условный предел текучести σ0,2 = 1485 МПа. Авторы отмечают

удовлетворительный уровень относительного удлинения δ = 7 % и

относительного сужения ψ = 34 %. Повышенные механические свойства

объясняются мелкозернистой глобулярной структурой, сформированной в ходе

ВИК.

В работе [69] авторы проводили исследование влияния радиального

обжатия, проведенного на ротационно-ковочной машине на структуру и

механические свойства стали марки 40ХГНМ. Сначала пруток закалили с

температуры 840 °С. На следующем этапе заготовка была подвергнута обжатию в

несколько этапов. Деформацию проводили при температуре 600 °С до e ~1,2.

После заготовку разрезали на две части и деформировали при разных

температурах. Первую часть деформировали при 600 °С, а вторую – при 500 °С до

e ~2,2; далее деформация проводилась также при 600 °С и 500 °С до e ~2,9.

Авторами показано, что формирование УМЗ структуры уже после минимальной

деформации e ~1,2 приводит к значительному росту прочности в сравнении с

исходным образцом. Однако дальнейшее увеличение истинной степени

деформации вплоть до e ~2,9 ведет к значительному падению прочности и росту

пластичности на 2-4,5 % вне зависимости от температуры. Данный эффект авторы

объясняют ростом совершенства структуры и увеличения доли высокоугловых

границ.

В работе [73] исследовали влияние процесса радиального обжатия с

помощью ротационно-ковочной машины на микроструктуру и свойства ниобий-

титанового сплава. Была изучена технология радиального обжатия слитков из

сплава Nb-Ti, полученных методом вакуумной плавки. Авторами показано, что

после обжатия грубая и однородная литейная микроструктура трансформируется

в микроструктуру с полосами деформации. С увеличением степени и скорости

деформации в микроструктуре уменьшается зона полос деформации и возрастает

предел текучести сплава. Также пруток ниобий-титанового сплава после обжатия

36

по-прежнему остается термически упрочняемым. Далее авторы исследовали

электропроводимость ниобий-титанового сплава β-типа в зависимости от

различных деформационных обработок. Слиток, полученный методом вакуумной

выплавки, был подвергнут радиальному обжатию на ротационно-ковочной

машине, горячей прокатке и холодной прокатке. Результаты показывают, что с

увеличением скорости деформации при радиальном обжатии удельное

электросопротивление из ниобий-титанового сплава уменьшается. Также стоит

отметить, что после холодной деформации удельное электросопротивление

ниобий-титановых сплавов увеличивается, но после рекристаллизационного

отжига проводимость улучшается за счет значительного снижения плотности

дислокаций и всех видов дефектов.

В работе [74] было проведено исследование эволюции структуры в ходе

пластической деформации методом радиального обжатия на ротационно-

ковочной машине среднеуглеродистой стали 40ХГНМ. Температура на последних

стадиях обработки составляла 500 и 600 °С. Авторами установлено, что при

обработке по данной схеме формируется структура из вытянутых в направлении

деформации ферритных зерен, причем с размером 500 нм при 500 °С и 580 нм при

600 °С в поперечном сечении. Средний размер карбидов в матрице составляет

55 нм при 500 °С и 75 нм при 600 °С. Карбиды распределены равномерно. Также

авторы отмечают увеличение пластичности стали 40ХГНМ на 5-6 % по

сравнению с состоянием после закалки и высокого отпуска. Данный рост

пластичности объясняется формированием УМЗ структуры. В работе показано,

что при подобных температурных условиях обжатия и высокого отпуска

характеристики прочности в последнем состоянии несколько выше. В результате

обработки обжатием увеличивается в 4 раза величина ударной вязкости, в том

числе и при температурах хрупко-вязкого перехода, что также обосновано

сформированным структурным состоянием.

В этой связи радиальное обжатие можно рассматривать как метод

получения полуфабрикатов с улучшенными свойствами.

37

Принципиальная схема метода радиального обжатия представлена на

рисунке 9 [75]. Существует два основных варианта осуществления радиального

обжатия заготовки. В первом случае, на радиально-ковочной машине

деформирующий инструмент (бойки) в процессе обработки не вращается вокруг

заготовки, при необходимости, с помощью специального манипулятора, заготовку

вращают вокруг своей оси. Во втором варианте, радиальное обжатие

осуществляется на ротационно-обжимной машине. В этом случае

деформирующий инструмент вращается вокруг оси заготовки, в то время как сама

заготовка не вращается вокруг оси. Принципиальная схема ротационно-обжимной

машины представлена на рисунке 10.

Рисунок 9 – Схема радиального обжатия

Рисунок 10 – Схема деформирующего блока ротационно-обжимной машины

38

Обработка методом ротационного обжатия может осуществляться в горячем

и в холодном состоянии.

Для осуществления процесса используются специальные ротационно-

обжимные машины. Головка крепится неподвижно в корпус станины. В передней

части головки имеется отверстие, в которое запрессовано закаленное кольцо.

Между кольцом и шпинделем 3 расположена обойма 4 с помещенными в нее

роликами 2, количество роликов четное. Ролики выступают боковой

поверхностью, обеспечивая тем самым величину рабочего хода инструмента. В

шпинделе сделан диаметральный паз, по которому бойки в ходе вращения

шпинделя совершают возвратно поступательное движение. Рабочий ход,

совершаемый бойками, обеспечивается давлением роликов 2, установленных в

обойме 4 на ролики 1, обратный ход бойков от центра происходит за счет

центробежной силы. При движении к центру бойки рабочими поверхностями

деформируют металл заготовки 6.

Число обжатий в минуту N можно определить по формуле (2):

(2)

где n – число оборотов шпинделя в минуту, k – число роликов в обойме.

Рабочая поверхность бойков имеет заходную часть, обычно коническую.

Заготовка подается в заходную часть бойков, и в течение нескольких

последовательных ударов происходит обжатие. В момент времени, когда бойки

находятся в разжатом положении, происходит осевая подача заготовки. Скорость

и величина подачи зависит от характеристик материала и размера заготовки,

степени разового обжатия (деформации). Подача может осуществляться как

вручную, так и с помощью автоматических устройств подачи – гидравлические,

механические, пневматические, пневмогидравлические. [76,77] Подача может

производиться с обеспечением жесткой и гибкой связи заготовки с механизмом

обжатия. Точность формы и размеров изделия при радиальном обжатии зависит

от геометрических параметров и качества изготовления инструмента, жесткости

конструкции, качества сборки и наладки механизма обжатия. При тщательной

подготовке процесса можно при горячей обработке получить чистоту

39

поверхности, соответствующую 5-6 классу, и точность обработки,

соответствующую 4-5 классу; при холодном обжатии, соответственно, чистоту

поверхности – 9-10 класса и точность обработки – 2-3 класса.

Технология радиального обжатия имеет ряд существенных преимуществ,

таких как [78]:

- широкий диапазон обрабатываемых диаметров – от 0,12 до 350 мм;

- обработка малопластичных, труднодеформируемых металлов и сплавов;

- высокая точность размеров и чистота поверхности готовых изделий;

- возможность получения больших степеней деформации в сравнении с

неинкрементальными методами;

- получение высокой однородности проработанной структуры;

- экономия материала до 40 % по сравнению с резанием;

- отсутствие необходимости применения специальных дорогих смазок;

- быстрая наладка оборудования;

- высокая стойкость деформирующего инструмента.

Таким образом, проведенный анализ существующих способов производства

контактных проводов железнодорожного транспорта показал, что в настоящее

время существуют перспективные методы обработки материалов, но каждый

метод обладает как преимуществами, так и недостатками.

Так, с точки зрения обработки медных сплавов, одна из основных задач –

перевести температурный режим пластической деформации ниже области

температуры рекристаллизации.

В то же время, для повышения экономической и технологической

эффективности производства контактных проводов необходимо развитие

совмещенных способов обработки, включающих операции литья и обработки

металлов давлением.

40

Выводы к первой главе, постановка целей и задач исследования

Исходя из проведенного аналитического обзора можно сделать следующие

выводы:

1. Развитие современного производства катанки из меди и медных

сплавов, обеспечивающего повышенный уровень эксплуатационных свойств,

необходимый для осуществления возможности изготовления контактных

проводов сетей высокоскоростных железных дорог, является актуальной задачей,

решение которой позволить увеличить пропускную способность

железнодорожного транспорта, объемы грузовых и пассажирских перевозок,

сократить время в пути, снизить затраты на ремонт и обслуживание ж/д сетей, что

в современных реалиях экономики, а также с учетом географических

особенностей России является очень важным.

2. Согласно техническим требованиям контактные провода

высокоскоростных железнодорожных сетей должны обеспечивать предел

прочности не менее 450 МПа, теплостойкость более 160 °С, электропроводность

на уровне 62-85 % IACS.

3. В мировой практике производства контактного провода из меди и ее

сплавов можно выделить ряд тенденций и результатов: производство контактных

проводов осуществляется с использованием систем на базе станов непрерывного

литья-прокатки и последующего волочения, при этом страны-лидеры в данной

области переходят при производстве контактного провода на использование

низколегированных термоупрочняемых сплавов, обеспечивающих получение

предела прочности до 600 МПа при сохранении электропроводимости на уровне

75-85 % IACS.

4. Однако стоит отметить, что предложенные решения являются

технически сложными, дорогими и трудоемкими, и не всегда могут быть легко

внедрены в существующие технологические линии.

41

5. В качестве финишных операций для формообразования профиля

контактного провода преимущественно используют волочение, а в последнее

время и «Конформ»-процесс.

6. Особый интерес для повышения свойств в длинномерных заготовках

и изделиях представляет ИПД как метод пластического структурообразования на

базе его основных способов обработки – РКУП-«Конформ» и всесторонней ковки,

а также их комбинации с традиционными способами ОМД.

На основании вышеизложенного сформулированы цель и задачи

исследований, приведенные во введении.

42

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРОЦЕССА

ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО КОНТАКТНОГО

ПРОВОДА С ПОВЫШЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ ФИЗИКО-

МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

В данной главе представлены особенности предлагаемого технологического

подхода и его принципиальная схема. Приведена методика проведения

исследований. Дано описание технологических решений, необходимых для

осуществления процесса получения наноструктурированных контактных

проводов с повышенным комплексом физико-механических свойств.

Принципиальным отличием от известных технологических решений

получения непрерывным способом длинномерных изделий из термоупрочняемых

бронз является проведение закалки сразу после кристаллизации для фиксации

твердого раствора с дальнейшим формообразованием в условиях интенсивной

пластической деформации. В качестве исходной заготовки была использована

хромовая непрерывнолитая бронза (сплав Cu-0,65Cr) с поперечным сечением

74 х 37,2 мм. Интенсивную пластическую деформацию осуществляли методами

радиальной ковки (приближенно всесторонняя ковка) за два цикла обработки, с

накоплением истиной деформации до величины е = 1,8…2 и последующим

равноканальным угловым прессованием, совмещенным с формообразующей

операцией выдавливанием. Суммарная истинная деформация составила

е = 4,2...4,7. Исходили из условия, что стадия холодной радиальной ковки

позволит эффективно измельчить структуру за счет смены осей приложения силы

и формирования условий немонотонного течения материала. Как известно,

немонотонность деформации является важным условием эффективности методов

ИПД [79-82]. При последующей деформации заготовка вначале подвергается

сдвиговой деформации по схеме РКУП-«Конформ» (е ~1), а затем прямым

выдавливанием (е ~1,5…1,7) происходит формирование требуемого фасонного

43

профиля. В работе исследован вариант широко используемого на ВСМ провода

фасонного профиля с площадью поперечного сечения 150 мм2.

Необходимым условием при получении контактного провода является

условие непрерывности от стадии литья до формообразования фасонного

профиля провода. Основным оборудованием технологической линии является

стандартный литейный агрегат с кристаллизатором и установленные в линию две

машины радиального обжатия, и экструдер («Конформ»-машина). В состав

вспомогательного оборудования входят ванна закалки, петлевой накопитель, блок

валковой подачи литой заготовки в рабочую зону машин радиального обжатия,

система правки катанки после радиального обжатия, сматывающее устройство. В

комплект линии также входят шахтные печи для проведения операции старения и

формирования окончательных физико-механических свойств контактного

провода. Производительность такой линии может достигать 3,5…5 тонн в

час [83-86].

2.1 Разработка методики научно-практических работ

Для проектирования технологического процесса был разработан алгоритм

проведения исследований, учитывающий современное развитие процессов

пластического структурообразования и виртуальных, математически

обоснованных, методов исследований.

Новизна предлагаемого технического решения, заложенная в разработку

нового технологического процесса, заключается в замене традиционных

квазимонотонных процессов пластического воздействия горячей прокаткой и

волочением на немонотонные процессы ИПД – обжатие со сменой осей

приложения сил и РКУП-«Конформ» с выдавливанием.

Данная работа включает в себя теоретические исследования с

использованием современного математического конечно-элементного

моделирования, а также верификационные исследования в виде физических

44

экспериментов по получению лабораторных образцов наноструктурированного

контактного провода.

Математическое моделирование. Современные подходы исследования

этих параметров процессов находятся в области математических программ

моделирования и демонстрируют довольно высокие степени сходимости с

реальными процессами, особенно если корректно заданы граничные условия.

Подобные исследования необходимы и при анализе предлагаемого нового

технического решения, что обеспечит рациональный выбор серийного

оборудования, позволит оценить стойкость деформирующего инструмента,

оценить тепловые поля и спрогнозировать свойства конечных изделий. В

частности, наиболее широко для моделирования и анализа пластических

процессов используется программный комплекс Deform-3D [87], который был

использован для моделирования параметров нового процесса

[88].

Данное программное обеспечение основано на применении метода

конечных элементов (МКЭ) – это численный метод решения дифференциальных

уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений,

возникающих при решении задач прикладной физики. Метод широко

используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела,

теплообмена, гидродинамики и электродинамики и т.д.

Программный комплекс Deform-3D успешно применяется на многих

заводах и производствах в различных отраслях по всему миру. Это подтверждает

достоверность и надежность результатов, полученных с помощью данного

программного комплекса [87].

Для анализа деформационных процессов особая роль отводится

исследованию НДС заготовок в процессе обработки. Как известно, НДС отвечает

за технологичность обработки, стойкость и надежность деформирующего

инструмента, физико-механические свойства деформированных материалов. В

качестве исследуемых параметров НДС были выбраны:

45

- поля распределения накопленной деформации, необходимые для

качественной оценки однородности деформированного состояния заготовки в

процессе обработки;

- степень накопленной деформации, необходимая для количественной

оценки деформированного состояния;

- поля распределения средних напряжений, необходимые для качественной

оценки схемы напряженного состояния заготовки в процессе обработки;

В условиях высокоскоростного обжатия возникает интенсивный

деформационный разогрев деформируемого материала, поэтому требуется

контроль температурного поля в процессе непрерывной пластической обработки

и возможность корректировки температурного поля, например, водяным или

воздушным охлаждением. В этой связи необходимо исследование температурных

условий обработки, а именно:

- поля распределения температур, необходимые для качественной оценки

схемы теплового состояния заготовки в процессе обработки;

- количественные исследования теплового состояния заготовки в процессе

обработки для определения необходимости охлаждения и корректировки режимов

обработки.

Выбор материала оснастки и ее стойкость очень сильно зависят от

контактных напряжений и температурного фактора. Согласно [89], допустимые

величины напряжений современных сталей для холодной деформации могут

составлять от 1300 до 2000 МПа, в зависимости от марок используемых сталей.

Также, важным критерием, который необходимо учитывать при выборе

оборудования и проектирования оснастки, является сила деформирования.

Поэтому возникает необходимость исследования:

- энергосиловых параметров пластической обработки (силы

деформирования и крутящий момент) с целью определения подходящего для

применения оборудования

- контактных давлений на инструменте с целью выбора материала оснастки.

46

Подобие физических экспериментов. Проведение экспериментальных

работ в производственных условиях обычно сопряжено с большими трудностями

и затратами, поэтому довольно часто используют лабораторное моделирование на

образцах (моделях) в широком диапазоне варьирования различными параметрами.

Обычно такое моделирование проводят на соизмеримо меньших установках и

соответствующих образцах. Далее полученные результаты интерпретируют с

модели на натуральный объект [90].

Для того чтобы результаты, полученные в ходе лабораторных

экспериментов, можно было бы спроецировать на производственные условия,

необходимо придерживаться принципа подобия этих процессов. Принцип

подобия подразумевает следующее: при осуществлении в подобных условиях

одинаковых процессов пластического деформирования геометрически подобных

тел из одинакового материала необходимые удельные силы деформирования

будут равны между собой, отношение полных сил деформирования будет равно

квадрату, а отношение затрачиваемых работ – кубу отношений соответственных

линейных размеров [90].

Основные условия подобия процессов пластического деформирования [90]:

1. Геометрическое подобие деформируемых тел. Для обеспечения

данного условия этого необходимо, чтобы отношения соответственных размеров

моделируемого объекта и модели были одинаковы.

2. Степени деформации моделируемого объекта и модели в

сравниваемые моменты должны быть одинаковы.

3. Контактные условия (условия трения) между поверхностями

деформирующего инструмента и обрабатываемой заготовки должны быть

одинаковы.

4. Модель и натуральные объекты должны быть физически подобны, т.е.

во всех соответственных точках иметь одинаковый химический состав,

одинаковое структурное и фазовое состояния, одинаковые степени упрочнения и

разупрочнения.

47

В представленном исследовании было проведено физическое

моделирование с учетом теории подобия и использованием прямых прототипов

деформирующего оборудования.

Структурный анализ. Перед проведением исследований в продольном и

поперечном сечении полученных заготовок по переходам и контактного провода

были вырезаны образцы. Рассматриваемая поверхность образцов была

механически отшлифована и отполирована на шлифовально-полировальном

станке LaboPol-25 фирмы Struers. При шлифовке была использована водостойкая

шкурка, для полировки применяли алмазную суспензию.

Для анализа структуры полученных образцов использовали современные

методики металлографического анализа (Carl Zeiss Axio Observer.A1m), растровой

и просвечивающей электронной микроскопии (Jeol JSM-6390, Jeol JEM-2100),

рентгеноструктурного анализа (Rigaku Ultima IV).

Количественный анализ структуры проводили методом измерения длин

хорд. В основу расчета среднего размера зерна принимали стереометрическое

соотношение, устанавливающее пропорциональность между плотностью линий

границ зерен на плоскости шлифа и плотностью точек их следов на случайной

секущей линии [91].

С учетом этого соотношения, диаметры зерен определяли по формуле (3):

i

i mLd , (3)

где – число пересечений границ зерен с секущей, длина которой равна L.

Средний размер зерна рассчитывают по формуле (4):

nd

d iср , (4)

где n – число измерений.

Погрешность измерений рассчитывается по формуле (5):

),(at (5)

где σ( a ) – среднее квадратичное отклонение средней арифметической

выборки (выборочной средней); t – нормированное отклонение [91].

48

Среднее квадратичное отклонение выборочной средней σ( a ) определяли

экспериментально по результатам нескольких повторных выборок, каждая из

которых содержит x измерений. На том же шлифе в нескольких полях зрения

проводили z выборок, по x измерений каждого измеряемого параметра структуры

выборки, и определяли для каждой выборки среднюю арифметическую величину

структуры по формуле (6):

xaaax

a ...121 . (6)

Поправочный коэффициент k зависит от объема выборки, т.е. от числа

выполненных независимых измерений x (7):

.

)1(

xxk (7)

Полученные значения подставляем в формулу (8):

,)(...

)( 222

11a

xaa

ka x

(8)

где āx – средняя арифметическая всех выборочных средних.

Механические испытания. Для определения механических (прочностных)

характеристик получаемых лабораторных образцов контактного провода

необходимо проведение испытаний на растяжение.

Согласно ГОСТ 1497-84 [92], для проведения испытаний были выбраны

цилиндрические образцы типа III с диаметром рабочей части d = 3 мм и длиной

рабочей части l0 = 18 мм (рисунок 11).

Рисунок 11 – Эскиз образца типа III

49

Механические испытания образцов были проведены с помощью

электромеханической измерительной системы для проведения статических

испытаний Instron 5982. Для получения статистически достоверных результатов

было испытано не менее 3 образцов для каждого исследуемого состояния.

Эксплуатационные характеристики. В соответствии с ГОСТ Р 55647-

2013 [16], были проведены испытания на скручивание согласно, ГОСТ 1545-80

[93], при скорости вращения не более 30 об/мин, а также испытания на перегиб,

согласно ГОСТ 1579-93 [94] с учетом размеров получаемых лабораторных

образцов.

Определение электропроводности. Удельная электропроводность

лабораторных образцов контактного провода была определена с помощью

вихретокового измерителя удельной электропроводимости цветных металлов и

сплавов ВЭ-27НЦ. Значения удельной электропроводимости переводили в

электропроводимость, соответствующую стандарту IACS (International Annealed

Copper Standard). Инструментальная погрешность измерений электропроводности

составила ±2 %.

Разработка схем исследования нового процесса. Исходя из изложенного

выше, на рисунках 12-14 представлены схемы необходимых и проведенных работ

в данном исследовании.

50

Рисунок 12 - Схема исследования процесса радиальной ковки методом

компьютерного моделирования

51

Рисунок 13 - Схема исследования процесса РКУП-«Конформ» с выдавливанием

методом компьютерного моделирования

52

Рисунок 14 - Схема физического эксперимента по получению

наноструктурированного контактного провода

2.2 Научно-обоснованный подход к созданию наноструктурированного

контактного провода

Выбор материала для изготовления контактного провода. Сплав

системы Cu-Cr является термически упрочняемым сплавом. После

термомеханической обработки имеет хорошее сочетание физико-механических и

эксплуатационных свойств [4] и подходит для изготовления изделий

электротехнического назначения.

Данный сплав в отличие от других медных сплавов с высокой

электропроводностью, таких как Cu-Ag, Cu-Sn, Cu-Cd, Cu-Mg, или жаростойких

сплавов Cu-Zr, Cu-Hf обладает одновременно высокой прочностью,

53

электропроводностью, термостабильностью. Кроме того, этот сплав технологичен

и обладает меньшей стоимостью, в отличие от Cu-Ag, Cu-Zr и т.д.

Классическая термомеханическая обработка хромовых бронз включает в

себя закалку, холодную пластическую деформацию и старение. Закалка

необходима для фиксации пересыщенного твердого раствора. Пластическая

деформация направлена на упрочнение материала за счет наклепа. На этапе

старения происходит дополнительное дисперсионное упрочнение и

восстановление электропроводности за счет распада пересыщенного твердого

раствора [4].

Пластическая обработка. Известно, что для получения УМЗ и

наноструктурного (НС) состояния металла необходимо сочетание высокой

интенсивности (обеспечивает необходимое генерирование дислокаций и

эволюцию дислокационной структуры) и существенной немонотонности

деформации (активизацию новых систем скольжения решеточных дислокаций и

их взаимодействие с образующимися при деформации малоугловыми границами

фрагментов, что приводит к их перестройке в высокоугловые границы общего

типа), при этом температура процесса деформирования не должна превышать

температуры протекания процесса возврата [82]. В этой связи использование

радиального обжатия с высокой степенью деформации и сменой осей приложения

сил наиболее полно отвечает принципам ИПД, а использование

РКУП-«Конформ» гарантирует реализацию схемы сдвига, которая по своей

природе также немонотонная. Влияние этих факторов будет предметом

проводимых исследований. Температурный диапазон деформации также очень

важный фактор, особенно при обработке термически упрочняемых материалов: с

одной стороны, необходимо повысить температуру для снижения сил

деформирования, с другой, большие деформации ускоряют диффузионные

процессы, распад твердого раствора и выделение упрочняющих частиц, поэтому

требуется анализ протекания этих процессов непосредственно в ходе

деформирования. Известно, что температура старения хромовой бронзы

54

находится в диапазоне 450-500 °C, и она является ограничивающим фактором в

процессе обработки.

Термическая обработка контактного провода. Температура и время

обработки были выбраны по проведенным нами исследованиям

термостабильности хромовых бронз и литературных данных [95, 96]. Так,

температура старения выбрана 450 °C при времени выдержки в течение 1 часа с

последующим охлаждением на воздухе.

Обоснование состава оборудования технологической линии нового

процесса. В современном производстве для изготовления контактных проводов в

основном используются литейно-прокатные агрегаты (ЛПА). Технически, это

непрерывные линии получения круглой катанки с использованием литейного

агрегата непрерывной кристаллизации и последующей согласованной горячей

прокатки в стане, имеющем до 15 клетей. В представленной работе этот

технологический процесс трактуется как «традиционный» и используется для

сравнительного анализа с новым разрабатываемым вариантом технологии

получения контактного провода.

Литературный обзор показал, что существует несколько основных крупных

производителей установок ЛПА. К ним относятся фирмы «Southwire» (США),

«Continus-Properzi» (Италия) и «SMS-Group» (Германия), среди российских

производителей таким предприятием является ВНИИМЕТМАШ [97].

Представленные этими фирмами технологические линии состоят из практически

однотипного оборудования. Как правило, в состав ЛПА входят:

1) Плавильная печь – широко распространено применение газовых

шахтных печей (например, «ASARCO», США);

2) Миксер и приемная ванна

3) Кристаллизатор – как правило, роторного типа;

4) Прокатный стан (например, «Mannesmann Demag Sack», Германия);

5) Система охлаждения и осветления катанки;

6) Сматывающее устройство.

55

Наиболее распространенными являются ЛПА фирм «Southwire», «Continus-

Properzi».

Далее из катанки с помощью операции волочения получают фасонный

контактный провод. Линия волочения представляет собой технически сложный

комплекс различного оборудования, необходимого для получения качественной

продукции; существуют различные конфигурации данных производственных

машин [98]:

7) Двойной тандемный горизонтальный волочильный блок тип 1000

(либо больше, сообразно диапазону проволоки). В первом блоке происходит

первичное волочение проволоки, во втором блоке – шевингование. Возможно

несколько проходов для получения окончательного сечения проволоки.

8) Тройной тандемный горизонтальный волочильный блок тип 1000. В

данном волочильном блоке из шевингованной проволоки в один или несколько

проходов получают контактный провод.

9) Четверной тандемный горизонтальный волочильный блок тип 1000. С

помощью данной конфигурации из исходной шевингованной проволоки

получают контактный провод окончательного сечения.

10) В линию волочения-шевингования входят устройства:

11) Размотки;

12) Смотки;

13) Подачи;

14) Выпрямления;

15) Направления проволоки.

Принципиальная схема традиционной линии изготовления контактного

провода представлена на рисунке 15.

56

Рисунок 15 – Принципиальная схема традиционной линии изготовления

контактного провода

В производственных линиях этих фирм используются кристаллизаторы

роторного типа с пазом трапецеидальной формы. Форма поперечного сечения

литой заготовки играет важную роль в технологическом процессе. Так, от формы

поперечного сечения зависит вероятность возникновения горячих трещин на

заготовке, что сказывается на качестве конечной продукции. Изменяя форму

поперечного сечения можно изменять сопротивление изгибу литой заготовки.

Согласно [1], чем больше момент изгиба, тем труднее разгибается заготовка и тем

меньше вероятность появления трещин на ней. Фирма «Continus-Properzi»

использует заготовку с поперечным сечением фирменного профиля (момент

сопротивления 20976 мм3). Часто используют заготовку с прямоугольным

сечением 74 мм х 37,2 мм [1], которая имеет момент сопротивления изгибу

17000 мм3, или с поперечным сечением в форме треугольника с основанием

185 мм и высотой 29,6 мм – момент сопротивления изгибу 6753 мм3. Из

используемых, наиболее технологичным для операций обжатия является сечение

74х37,2 мм. Применение такой формы позволяет проводить большие разовые

57

деформации при радиальном обжатии и способствует, согласно [1], увеличению

пластичности заготовки до полутора раз.

Как было представлено выше, разрабатываемая технология непрерывного

изготовления фасонного контактного провода представляет собой линию, где в

качестве основного оборудования используются литейная машина, две радиально-

ковочные машины (блоки) и экструдер. «Конформ»-машина совмещает операции

ИПД методом РКУП-«Конформ» и выдавливание для формообразования

фасонного профиля контактного провода.

Проведенный анализ показывает довольно широкий ассортимент серийных

радиально-ковочных машин, которые обеспечивают высокие силы обжатия и

производительность, и экструдеров по схеме «Конформ», обеспечивающих

высокие крутящие моменты (таблица 2).

Таблица 2 – Варианты оборудования, представленного на рынке

Марка, модель

Привод Размеры

заготовки, мм

Сила, тс//крутящий момент, кН*м

Частота ходов бойков,

мин-

1//частота вращения,

об/мин

Мощность, кВт

Производительность, т/час

GFM – RF 30 Электро-

механический Ø300-50 500 До 340 600 5

GFM – SX 25 Электро-

механический Ø250-50 340 390 580 6

GFM – SX 32 Электро-

механический Ø320-60 500 310 850 4,5

SMS Meer* SMX 200/3

Гидравлический

Ø200-40 300 300 н/д 5,5

SMS Meer SMX 350/6

Гидравлический Ø350-60 600 260 н/д 5

Экструдер TJ550

Электрический Ø22 500 8 450 2,5

Экструдер TJ650

Электрический Ø30 620 8 600 3,5

58

Судя по литературным данным [83-86] и представленным в таблице

скоростям обработки, их вполне можно согласовать по всей цепочке от операции

литья до РКУП-«Конформ» с выдавливанием провода, при этом можно

обеспечить производительность до 3,5-5 тонн готового провода в час, что

сопоставимо с производительностью современных линий. Так, согласно

открытым данным предприятия ВНИИМЕТМАШ, производительность ЛПА для

медной катанки достигает 5-12 тонн/час, производительность систем

«Continus-Properzi» составляет от 1 до 15 тонн/час.

Таким образом, исходя из вышеизложенного разработана принципиальная

схема предлагаемой линии изготовления наноструктурированного контактного

провода (рисунок 16).

Рисунок 16 – Принципиальная схема предлагаемой линии изготовления

наноструктурированного контактного провода

Анализируя представленную схему можно сказать, что за счет

последовательного применения эффективных методов интенсивной пластической

деформации, таких как всесторонняя ковка (радиальное обжатие) и

равноканальное угловое прессование, совмещенное в одной операции с

выдавливанием провода фасонного профиля, обеспечивается снижение

количества операций и межоперационных затрат, а также сокращение требуемых

производственных площадей по сравнению с традиционной схемой обработки.

59

Выводы ко второй главе

Разработаны новые научно-технические решения для получения

наноструктурированного контактного провода для железнодорожной

высокоскоростной магистрали:

1. Предложена новая комбинированная схема пластической обработки

низколегированной бронзы с заменой традиционных квазимонотонных процессов

деформационной обработки методами горячей прокатки и холодного волочения

на немонотонные процессы ИПД – обжатие со сменой осей приложения сил и

РКУП-«Конформ», совмещенный с выдавливанием провода фасонного профиля.

2. Принципиальным отличием от известных технологических решений

получения непрерывным способом длинномерных изделий из термоупрочняемых

бронз является проведение закалки сразу после кристаллизации для фиксации

твердого раствора с дальнейшим формообразованием в условиях интенсивной

пластической деформации.

3. В качестве материала изготовления выбран сплав системы Cu-Cr с

весовым содержанием хрома 0,65 %, что близко к пределу растворимости хрома в

медной матрице.

4. Определено необходимое для реализации основное и вспомогательное

оборудование. Основным оборудованием технологической линии является:

стандартный литейный агрегат с кристаллизатором, установленные в линию две

машины радиального обжатия и экструдер («Конформ»-машина), шахтные печи

для проведения термической обработки. В состав вспомогательного оборудования

входят: ванна закалки, петлевой накопитель, блок валковой подачи литой

заготовки в рабочую зону машин радиального обжатия, система правки катанки

после радиального обжатия, сматывающее устройство.

5. В состав выбранных методических подходов для реализации

исследования входит математическое и физическое моделирование

деформационных процессов. Для математического моделирования выбран

лицензированный программный продукт Deform 3D широко используемый для

60

оценки деформационных процессов. Для оптимизации параметров радиального

обжатия наиболее целесообразно использование полного факторного

эксперимента. Физическое верификационное моделирование (натурный

эксперимент) следует проводить с учетом условий подобия процессов

пластического деформирования.

6. Для анализа структуры полученных образцов выбраны современные

методики металлографического анализа, растровой и просвечивающей

электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Для исследования

механических характеристик образцов контактного провода необходимо

проведение статических испытаний на растяжение по ГОСТ 1497-84. В

соответствии с ГОСТ Р 55647-2013, необходимо проведение испытаний на

скручивание, согласно ГОСТ 1545-80, а также испытаний на перегиб, согласно

ГОСТ 1579-93 с учетом размеров получаемых лабораторных образцов.

61

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ ТЕХНОЛОГИИ

МЕТОДОМ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

В главе представлены результаты математического исследования

напряженно-деформированного состояния металла, силовых параметров и

теплового состояния, при пластической обработке по предложенной

технологической схеме пластического структурообразования (см. глава 2 и

рисунок 17). По схеме последовательно, в двух ковочных блоках, осуществляется

локальное трехкратное радиальное обжатие длинномерной заготовки при

двукратной смене оси приложения силы (аналогично всесторонней ковке) и

накоплении суммарной истинной деформации до е~1,4 (расчетная), а также

операция РКУП-«Конформ», совмещенная с выдавливанием провода (конечного

продукта), с суммарной накопленной истинной деформацией до

е~2,6 единиц (расчетная).

а) б) в) г)

Рисунок 17 – Предлагаемая схема пластической обработки для получения

контактного провода с использованием методов ИПД:

а – исходная заготовка; б – после первого ковочного блока; в – после второго

ковочного блока; г – после РКУП-«Конформ» с выдавливанием

В этой связи, с целью более глубокого понимания влияния НДС, тепловых

эффектов и немонотонного воздействия при комбинированной пластической

62

обработке заготовки на формирование физико-механических свойств материала

использовали метод конечно-элементного компьютерного моделирования.

Учитывая, что НДС и другие параметры обработки находятся в прямой

зависимости от технологических режимов применяемого процесса и

конструкционного исполнения применяемого инструмента, использование

виртуальных методов исследования менее затратно и они обладают большой

информативностью. Согласно поставленным задачам было проведено

компьютерное моделирование трех этапов технологии: деформирование в первом

ковочном блоке, деформирование во втором ковочном блоке и деформирование в

условиях последовательного совмещения в одной операции одного цикла

РКУП - «Конформ» и выдавливания провода. Моделирование проводилось на

персональном компьютере, обладающем следующими характеристиками:

процессор Intel® Core™ i5-2300 с частотой 2,80 GHz, оперативная память 8 Гб,

видеокарта NVIDIA GeForce GT 640, 64-разрядная операционная система

Windows 7. Для подготовки геометрических моделей инструмента и заготовки

использовали систему трехмерного моделирования Компас 3D.

3.1 Математический анализ процесса радиального обжатия в первом блоке

В представленном исследовании для осуществления процесса радиального

обжатия использовали метод радиальной ковки.

Описание метода радиальной ковки. Радиальная ковка представляет

собой инкрементальный способ пластической обработки осесимметричных

изделий, при которой от двух до шести бойков совершают радиальные возвратно-

поступательные движения. В процессе деформирования бойки могут совершать

до 10000 ударов за минуту, при этом их ход может составлять всего 0,2 мм.

В процессе радиальной ковки течение металла в основном происходит в

продольном направлении и уширение, т.е. течение металла в поперечном

направлении, незначительно. Фактически реализуется квазимонотонное течение

металла в процессе обработки. Для интенсификации измельчения исходной

63

структуры необходимо реализовать немонотонное течение металла, т.е. вместо

круглого или полукруглого профиля использовать плоские бойки, что,

несомненно, способствует уширению и снижению интенсивности продольного

течения материала. Поэтому в представленных ниже исследованиях использовали

плоские и фигурные бойки (рисунок 18), рекомендованные как эффективные для

свободной осадки заготовок [99-102], причем используемый угол, по величине,

являлся углом трения для реализуемых трибологических условий.

а) б) в)

Рисунок 18 – Варианты конструктивного исполнения бойков:

а – фигурный закрытый калибр; б – плоский открытый калибр; в – фигурный

условно открытый калибр, где Q угол равный углу трения для выбранных

трибологических условий

Учитывая, что важными характеристиками технологического процесса

радиальной ковки является: величина продольной подачи, степень обжатия

(степень накопленной деформации), угол поворота между ударами бойков, форма

бойков и их геометрические размеры [76,77] в задачи моделирования входило:

- получение исходной информации для оптимизации технологических

параметров радиальной ковки в зависимости от конструкционного исполнения

деформирующего инструмента;

А для оптимизированных условий обработки:

- исследование деформированного состояния;

- исследование напряженного состояния;

- исследование температурного поля очага деформации;

- исследование силовых параметров процесса.

64

Описание модели процесса радиального обжатия в первом блоке. В состав

разработанной модели входят 2 бойка, заготовка и имитация подающего

устройства (рисунок 19).

Рисунок 19 – Схема разработанной модели первого ковочного блока: 1 – первый

боек; 2 – второй боек; 3 – заготовка; 4 – имитация подачи

Условия и допущения, принятые при моделировании. Материал

исходной заготовки – низколегированная бронза системы Cu-Cr – БрХ1 [103,104].

При моделировании были использованы кривые упрочнения, взятые из базы

данных Deform 3D.

Заготовка – пластичное тело. Размеры прямоугольного поперечного сечения

исходной заготовки – 37,2 х 74 мм, длина – 300 мм. Поперечное сечение

заготовки после обработки в первом ковочном блоке – прямоугольное 33 х 65 мм.

Модели заготовки и инструмента, созданные в КОМПАС-3D, сохраняли в

формате «stl».

Была сгенерирована сетка конечных элементов, состоящая из тетраэдров,

количество которых составляло 32 000. Минимальный размер элемента – 3,2 мм,

максимальный размер – 6,5 мм. Была активирована опция компенсации объема

1

2

3

4

65

модели заготовки. Штамповый инструмент – абсолютно жесткое тело. Модели

инструментов на конечно-элементную сетку не разбивали.

Количество ударов в минуту (исходя из принципа постоянства секундных

объемов для согласования производительности оборудования [90]) - 200.

Начальная температура заготовки и инструмента принята комнатной и

составляла 20 °C. Моделирование выполняли с учетом прироста температуры

металла от теплового эффекта пластической деформации (деформационный

разогрев). Коэффициент теплообмена инструмента с заготовкой принимали

равным 5 Н/сек/мм/°C (5000 Вт/м2×°C).

Так как проводили моделирование объемной схемы деформации с

высокими контактными напряжениями, то использовали фактор трения по

Зибелю.

Для обеспечения достоверности получаемых результатов при проведении

математического моделирования были выполнены испытания по определению

коэффициента трения между используемым инструментом и заготовкой из

низколегированной бронзы методом осадки кольцевых образцов [105]

(теоретические основы этого метода разработаны А. Мэйлом и М. Кокрофтом),

Размеры образцов соответствовали принятому соотношению 6:3:2, испытания

проводили для различных температур.

Результаты эксперимента по определению коэффициента трения

представлены в таблице 3:

66

Таблица 3 – Данные для определения коэффициента трения пары боёк-заготовка №

обр

азца

Темп

ерат

ура,

С

d ис

х, м

м

d ре

з, мм

Степ

ень

дефо

рмац

ии, %

D и

сх, м

м

D р

ез, м

м

Степ

ень

дефо

рмац

ции,

%

h ис

х, м

м

h ре

з, мм

Степ

ень

дефо

рмац

ции,

%

Коэф

фици

ент

трен

ия

1 20 10,03 8,27 17,5 19,94 25,84 29,6 6,67 3,38 49,3 0,10

2 100 10,01 8,89 11,2 19,89 25,80 29,7 6,59 3,58 45,7 0,08

3 200 9,95 9,13 8,2 19,93 26,00 30,5 6,65 3,51 47,2 0,07

Таким образом, исходя из экспериментальных и литературных данных [104]

фактор трения по Зибелю пары сталь-медь приняли 0,2. На контактных

поверхностях оснастки задавали условие непроницаемости.

Количество шагов моделирования – 350.

Оптимизация процесса радиальной ковки в первом блоке. Данные

полученные при моделировании пластической обработки в первом ковочном

блоке были использованы для оптимизации конструкционного исполнения

деформирующего инструмента и технологических параметров обработки методом

полного факторного эксперимента. При этом, полученные регрессионные

уравнения позволят получать необходимые данные инженерными расчетами, что

значительно сократит время, необходимое для получения результатов при поиске

оптимальных технологических параметров.

Исходя из вышесказанного, целью проведения виртуальных исследований

явилось получение данных для создания регрессионных уравнений,

определяющих взаимосвязь технологических параметров процесса обжатия,

67

конструкционного исполнения оснастки и деформированного состояния металла в

процессе обработки.

Для оценки влияния конструкционного исполнения оснастки на

деформированное состояние заготовки в процессе обработки было создано три

модели бойков (рисунки 20-22). Первый вариант представляет собой плоский

открытый калибр, второй – фигурный условно открытый калибр, третий –

фигурный закрытый калибр, при этом использовали угол Q отклонения калибра

от плоского, который равен величине угла трения в реализующихся

трибологических условиях.

Угол трения определяли по формуле (9):

(9)

где f – коэффициент трения.

Рисунок 20 – Модель бойка с плоским открытым калибром

Рисунок 21 – Модель бойка с фигурным условно открытым калибром

68

Рисунок 22 – Модель бойка с фигурным закрытым калибром

В качестве второго варьируемого фактора, оказывающего влияние на

деформированное состояние заготовки в процессе обработки, была выбрана

величина продольной подачи, зависящая от производительности литейной

установки и скоростных параметров радиально-ковочного комплекса, выбранного

за основу. По найденным литературным данным, современные литейные

установки обладают производительностью в 4-6 тонн в час. Выбранная за основу

радиально-ковочная машина SMS Meer SMX 220 имеет скорость инструмента

до 300 ходов/мин [85].

Для определения уравнений регрессии был проведен полный факторный

эксперимент. Согласно исходным данным, были произведены расчеты и

построена сетка эксперимента, представленная в таблице 4.

Таблица 4 – Сетка вариантов эксперимента

№ Угол Q, град. Продольная подача, мм

1 0 14

2 0 17

3 0 20

4 4,5 14

5 4,5 17

6 4,5 20

7 -4,5 14

8 -4,5 17

9 -4,5 20

69

Анализ полученных данных. В качестве функции отклика в ходе

оптимизации были выбраны следующие параметры:

- величина вытяжки (рисунок 23, 24);

- приращение накопленной деформации за один удар бойков (рисунок 25).

Площадь поперечного сечения после первого ковочного блока составила

2200 мм2 ± 10% (в зависимости от величины вытяжки). Таким образом,

относительная степень деформации составила 18,5%. Полученные в результате

моделирования значения функций отклика представлены в таблице 5.

Рисунок 23 – Величина вытяжки при моделировании по первому варианту

Рисунок 24 – Контрольные точки для определения среднего значения величины

вытяжки при моделировании

70

Рисунок 25 – Контрольные точки для определения среднего значения величины

прироста накопленной деформации

Таблица 5 – Значения функций отклика

№ моделирования Угол трения,

град. Продольная подача,

мм

Функции отклика

Величина

вытяжки,

мм

Величина

прироста

накопленной

деформации за

1 обжатие

1 0 14 21,1 0,114

2 0 17 28,2 0,123

3 0 20 35,6 0,131

4 4,5 14 17,7 0,09

5 4,5 17 24,1 0,1

6 4,5 20 31,1 0,107

7 -4,5 14 22,9 0,127

8 -4,5 17 30,1 0,145

9 -4,5 20 39,2 0,153

Значения величины вытяжки и величины прироста накопленной

деформации в зависимости от конструкционного исполнения бойков показаны на

71

рисунке 26, от величины продольной подачи – на рисунке 27. Силы, возникающие

при различной величине подачи, показаны на рисунке 28.

Рисунок 26 – Зависимость величины вытяжки и величины прироста

накопленной деформации от конструкционного исполнения бойков

Рисунок 27 – Зависимость величины вытяжки и величины прироста

накопленной деформации от величины продольной подачи

0

10

20

30

40

50

-4,5 0 4,5

Вел

ичин

а вы

тяж

ки, м

м

Угол бойков, °

подача 14 мм

подача 17 мм

подача 20 мм 0,07

0,09

0,11

0,13

0,15

0,17

-4,5 0 4,5

Вел

ичи

на

пр

ир

ост

а н

ако

пл

енн

ой

деф

ор

мац

ии

Угол бойков, °

подача 14 мм

подача 17 мм

подача 20 мм

15

20

25

30

35

40

45

14 17 20

Вел

ичин

а вы

тяж

ки, м

м

Величина подачи, мм

угол -4,5

угол 0

угол 4,5

0,07

0,08

0,09

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

14 17 20Вел

ичин

а пр

ирос

та н

акоп

ленн

ой

дефо

рмац

ии

Величина подачи, мм

угол -4,5

угол 0

угол 4,5

72

а) б)

Рисунок 28 – Графики сил в зависимости от величины продольной подачи:

а – 14 мм; б – 20 мм

Построение уравнений регрессии. По методикам [106-110], на основе

полученных с помощью компьютерного моделирования данных, были получены

уравнения множественной линейной регрессии. Для расчёта коэффициентов

регрессии использовали матричный способ.

В виде матрицы (10) представляются данные наблюдений и коэффициенты

модели:

[

]. (10)

Уравнение множественной регрессии (11) может быть представлено в виде:

Y = f(β , X) + ε, (11)

где X = X(X1, X2, …, Xm) – вектор независимых (объясняющих)

переменных; β – вектор определяемых параметров; ε – случайная ошибка

(отклонение);

Y – зависимая (объясняемая) переменная. Теоретическое линейное уравнение

множественной регрессии (12) имеет вид:

Y = β0 + β1X1 + β2X2 + … + βmXm + ε, (12)

β0 – свободный член, определяющий значение Y, в случае, когда все

переменные Xj равны 0.

73

Для оценки параметров уравнения множественной регрессии применяют

метод наименьших квадратов [104-108].

Для определения оценок коэффициентов регрессии, необходимо

выполнение ряда предпосылок данного метода (условия Гаусса-Маркова):

1. Математическое ожидание случайного отклонения εi равно 0 для всех

наблюдений (M(εi) = 0).

2. Гомоскедастичность (постоянство дисперсий отклонений). Дисперсия

случайных отклонений εi постоянна: D(εi) = D(εj) = S2 для любых i и j.

3. Отсутствие автокорреляции.

4. Случайное отклонение должно быть независимо от объясняющих

переменных: Yeixi = 0.

5. Модель является линейной относительно параметров.

6. Отсутствие мультиколлинеарности. Между объясняющими переменными

отсутствует строгая (сильная) линейная зависимость.

7. Ошибки εi имеют нормальное распределение. Выполнимость данной

предпосылки важна для проверки статистических гипотез и построения

доверительных интервалов.

Эмпирическое уравнение (13) множественной регрессии запишем в виде:

Y = b0 + b1X1 + b1X1 + … + bmXm + e, (13)

здесь b0, b1, …, bm – оценки теоретических значений β0, β1, β2, …, βm

коэффициентов регрессии (эмпирические коэффициенты регрессии); e – оценка

отклонения ε.

При выполнении предпосылок для метода наименьших квадратов

относительно ошибок εi, оценки b0, b1, …, bm параметров β0, β1, β2, …, βm

множественной линейной регрессии по МНК являются несмещенными,

эффективными и состоятельными.

Величина вытяжки.

Оценка уравнения регрессии. Определим вектор оценок коэффициентов

регрессии. Согласно методу наименьших квадратов, вектор s получается из

выражения (14):

74

s = (XTX)-1XTY. (14)

К матрице с переменными Xj добавляем единичный столбец:

[ ]

Матрица Y:

[ ]

Матрица XT:

[

]

Умножаем матрицы, (XTX):

XTX =[

]

В матрице, (XTX) число 9, лежащее на пересечении первой строки и первого

столбца, получено как сумма произведений элементов первой строки матрицы XT

и первого столбца матрицы X.

Умножаем матрицы, (XTY):

75

XTY = [

]

Находим обратную матрицу (XTX)-1:

(XTX)-1 = [

]

Вектор оценок коэффициентов регрессии равен:

Y(X) =[

] [

] [

]

Уравнение регрессии для величины вытяжки (15):

Y = -14,4222-0,563X1 + 2,4555X2, (15)

где X1 – величина угла, X2 – величина продольной подачи

Анализ параметров уравнения регрессии. Следующим этапом проверим

значимость уравнения и его коэффициентов, а также определим абсолютные и

относительные ошибки аппроксимации.

Для несмещенной оценки дисперсии проделаем следующие вычисления:

Несмещенная ошибка (16):

ε = Y – Y(x) = Y – X·s. (16)

В таблице 6 представлены данные для статического анализа уравнения

регрессии.

76

Таблица 6 – Данные для статического анализа уравнения регрессии

Y Y(x) ε = Y – Y(x) ε2 (Y-Yср)2 |ε : Y|

21,1 19,955 1,145 1,311 38,716 0,0543

28,2 27,322 0,878 0,772 0,77 0,0311

35,6 34,688 0,912 0,831 68,522 0,0256

17,7 17,422 0,278 0,0774 92,587 0,0157

24,1 24,788 -0,688 0,474 10,383 0,0286

31,1 32,155 -1,055 1,113 14,272 0,0339

22,9 22,488 0,412 0,169 19,556 0,018

30,1 29,855 -3,855 14,861 1,748 0,148

39,2 37,222 1,978 3,914 141,082 0,0505

Суммарно 23,522 387,636 0,406

Средняя ошибка аппроксимации (17):

∑| |

, (17)

.

Оценка дисперсии равна (18):

∑ ( ( )) ( ( )), (18)

∑ .

Несмещенная оценка дисперсии равна (19):

∑ , (19)

.

77

Оценка среднеквадратичного отклонения (стандартная ошибка для оценки

Y) (20):

√ , (20)

√ .

Найдем оценку ковариационной матрицы вектора (21):

( ) , (21)

( ) [

] [

]

Дисперсии параметров модели определяются соотношением S2i = Kij, т.е. это

элементы, лежащие на главной диагонали:

√

√

√

Проверка общего качества уравнения множественной регрессии. Оценка

значимости уравнения множественной регрессии осуществляется путем проверки

гипотезы о равенстве нулю коэффициента детерминации, рассчитанного по

данным генеральной совокупности: R2 или b1 = b2 =… = bm = 0 (гипотеза о

незначимости уравнения регрессии, рассчитанного по данным генеральной

совокупности).

Для ее проверки используют F-критерий Фишера.

При этом вычисляют фактическое (наблюдаемое) значение F-критерия

через коэффициент детерминации R2, рассчитанный по данным конкретного

наблюдения.

78

По таблицам распределения Фишера-Снедоккора находят критическое

значение F-критерия (Fкр). Для этого задаются уровнем значимости α (обычно его

берут равным 0,05) и двумя числами степеней свободы k1=m и k2=n-m-1.

F-статистика. Критерий Фишера (22):

∑

∑( ̅), (22)

Чем ближе R2 к 1, тем более полно уравнение регрессии отражает поведение

Y.

Проверим гипотезу об общей значимости – гипотезу об одновременном

равенстве нулю всех коэффициентов регрессии при объясняющих переменных:

H0: R2 = 0; β1 = β2 = … = βm = 0.

H1: R2 ≠ 0.

Проверка этой гипотезы осуществляется с помощью F-статистики

распределения Фишера (23) (правосторонняя проверка).

Если F<Fкр = Fα ; n-m-1, то нет оснований для отклонения гипотезы H0.

, (23)

.

Табличное значение при степенях свободы k1 = 2 и k2 = n-m-1 = 9 – 2 – 1 =

6, Fкр(2;6) = 5,14.

Поскольку фактическое значение F>Fкр, то коэффициент детерминации

статистически значим и уравнение регрессии статистически надежно (т.е.

коэффициенты bi совместно значимы).

Оценка значимости дополнительного включения фактора (частный F-

критерий). Необходимость такой оценки связана с тем, что не каждый фактор,

вошедший в модель, может существенно увеличить долю объясненной вариации

79

результативного признака. Это может быть связано с последовательностью

вводимых факторов (т. к. существует корреляция между самими факторами).

Мерой оценки значимости улучшения качества модели, после включения в

нее фактора хj, служит частный F-критерий – Fxj (24):

( )

( ) (24)

где m – число оцениваемых параметров.

В числителе – прирост доли вариации Y за счет дополнительно

включенного в модель фактора хj.

Если наблюдаемое значение Fxj больше Fкр, то дополнительное введение

фактора xj в модель статистически оправдано.

Частный F-критерий оценивает значимость коэффициентов «чистой»

регрессии (bj). Существует взаимосвязь между частным F-критерием – Fxj и

t-критерием (25), используемым для оценки значимости коэффициента регрессии

при j-м факторе:

( ) √ . (25)

Оценим с помощью частного F-критерия:

1) целесообразность включения в модель регрессии факторов х1 после

введения хj (Fx1).

Определим наблюдаемое значение частного F-критерия:

( ) ,

R2(x2,xn = r2(x2)) = 0,91652 = 0,84,

Fкр(k1=1;k2=6) = 5,99.

Сравним наблюдаемое значение частного F-критерия с критическим:

Fx1>5,99, следовательно, фактор х1 целесообразно включать в модель после

введения фактора х2;

80

2) целесообразность включения в модель регрессии факторов х2 после

введения хj (Fx2).

Определим наблюдаемое значение частного F-критерия:

( ) ,

R2(x1,xn = r2(x1)) = -0,31522 = 0,0993.

Сравним наблюдаемое значение частного F-критерия с критическим:

Fx2>5.99, следовательно, фактор х2 целесообразно включать в модель после

введения фактора х1.

Величина приращения накопленной деформации. Таким же образом

проведен расчет для величины приращения накопленной деформации.

Уравнение регрессии для значений приращения накопленной деформации:

Y = 0,05078-0,00459X1 + 0,00411X2,

где X1 – величина угла, X2 – величина подачи

Данные для статического анализа полученного уравнения регрессии

приведены в таблице 7.

81

Таблица 7 – Данные для статического анализа уравнения регрессии

Y Y(x) ε = Y – Y(x) ε2 (Y-Yср)2 |ε : Y|

0,114 0,108 0,00567 0,000032 0,000044 0,0497

0,123 0,121 0,00234 0,000005 0,000005 0,019

0,131 0,133 -0,002 0,000004 0,000107 0,0152

0,09 0,0877 0,00234 0,000005 0,00094 0,0259

0,1 0,1 0,00003 0 0,000427 0

0,107 0,112 -0,00533 0,000028 0,000187 0,0498

0,127 0,129 -0,016 0,000256 0,000059 0,142

0,145 0,141 0,0137 0,000187 0,00118 0,0882

0,153 0,154 -0,000664 0 0,00105 0,00434

Суммарно 0,000519 0,00399 0,394

Последующие вычисления выполняются так же, как и в первом случаем,

поэтому не приводятся.

Средняя ошибка аппроксимации рассчитывали по формуле 17:

.

Критерий Фишера рассчитывали по формуле 22:

Табличное значение при степенях свободы: Fкр(2;6) = 5,14.

Поскольку фактическое значение F>Fкр, то коэффициент детерминации

статистически значим и уравнение регрессии статистически надежно.

Результаты оптимизации. Исходя из анализа регрессионных уравнений,

применение фигурных бойков и увеличение продольной подачи не оказывают

существенного влияния на уровень накопленной деформации, так как найденные

коэффициенты регрессии (0,00459 и 0,00411) в уравнении сравнительно малы.

82

Минимальную вытяжку обеспечивает при прочих равных условиях

фигурный открытый калибр. Так установлено, в сравнении с условно открытым

калибром применение закрытого калибра на 20%, а плоского калибра только на

5% увеличивает величину вытяжки. Таким образом, разница между применением

плоского и фигурного открытого калибра не столь значима.

Увеличение производительности системы за счет увеличения продольной

подачи приводит как к повышению значений величины вытяжки, так и величины

прироста накопленной деформации. Увеличение прироста накопленной

деформации означает лучшую проработку структуры, в то же время при

увеличении подачи, согласно моделированию, возрастают силы, необходимые для

осуществления процесса ковки. Например, при использовании плоского калибра

при подаче 14 мм необходимая сила составляет 3050 кН, тогда как при подаче 20

мм необходимая сила – 3630 кН (рисунок 28), что ведет к повышению

эксплуатационных нагрузкок на инструменте.

Исходя из вышеприведенного анализа, в дальнейших исследованиях

использовали плоский калибр в сочетании с минимальной продольной подачей.

3.2 Математический анализ процесса радиального обжатия во втором блоке

На рисунке 29 представлена схема разработанной модели второго

ковочного блока. Во втором ковочном блоке использовали два вида симметрично

расположенных бойков – вертикальные и горизонтальные. 3D модели бойков

представлены на рисунке 30.

Второй ковочный блок обеспечивает за счет изменения осей приложения

сил немонотонное течение металла в очаге деформации и формирует поперечный

профиль заготовки для последующей операции.

83

Рисунок 29 – Схема разработанной модели второго ковочного блока:

1 – вертикальные бойки; 2 – горизонтальные бойки; 3 – заготовка; 4 – опора

а) б)

Рисунок 30 – 3D-модели бойков для второго ковочного блока:

а – вертикальные, б – горизонтальные

Принцип работы второго ковочного блока. Бойки двигаются поочередно,

сначала рабочий ход совершают горизонтальные бойки, после их остановки они

фиксируются гидравлической системой на месте, далее рабочий ход совершают

вертикальные бойки. После завершения рабочего хода вертикальных бойков

происходит одновременный обратный ход вертикальных и горизонтальных

бойков. Для решения первой задачи служат горизонтальные бойки,

обеспечивающие максимальную пластическую деформацию в перпендикулярном

1

2

3 4

84

направлении относительно направления деформации в первом ковочном блоке.

Направления движения горизонтальных бойков указаны на рисунке 31.

Рисунок 31 – Направления движения горизонтальных бойков второго ковочного

блока

Направления движения вертикальных бойков указаны на рисунке 32.

Рисунок 32 – Направления движения вертикальных бойков второго ковочного

блока

85

Условия и допущения, принятые при моделировании во втором

ковочном блоке. При моделировании радиальной ковки была использована

заготовка, полученная моделированием на предыдущем этапе, с сохранением

истории деформирования в первом блоке.

Размеры поперечного сечения исходной заготовки перед вторым ковочным

блоком – прямоугольное 33 х 65 мм. Поперечное сечение заготовки после

обработки во втором ковочном блоке - квадратное 26 х 26 мм.

Модели заготовки и инструмента были созданы в КОМПАС-3D и

сохранены в формате «stl».

Сетка конечных элементов, состоящая из тетраэдров, осталась после

моделирования предыдущего этапа пластической обработки в первом ковочном

блоке. Минимальный размер элемента – 2,2 мм, максимальный размер – 4,5 мм.

Была активирована опция компенсации объема модели заготовки. Штамповый

инструмент – абсолютно жесткое тело. Модели инструментов на конечно-

элементную сетку не разбивали.

Количество ударов в минуту (исходя из принципа постоянства секундных

объемов для согласования производительности оборудования) - 240.

Данные температурных полей после первого ковочного блока были

перенесены в базу данных для второго ковочного блока, таким образом,

начальная температура по сечению заготовки на втором этапе

составила 100-150 °C. Моделирование выполняли с учетом прироста температуры

металла от теплового эффекта пластической деформации (деформационный

разогрев). Коэффициент теплообмена инструмента с заготовкой принимали

равным 5 Н/сек/мм/C (5000 Вт/м2×°C).

Так как проводили моделирование объемной схемы деформации с

высокими контактными напряжениями, то был использован фактор трения по

Зибелю, принятый равным f=0,2. На контактных поверхностях оснастки задано

условие непроницаемости.

Количество шагов моделирования составило - 400.

86

Анализ полученных результатов.

Поля распределения накопленной деформации

Первый ковочный блок

Из анализа полей распределения накопленной деформации (рисунок 33)

следует, что в продольном сечении заготовки степень накопленной деформации

после первого ковочного блока в среднем составляет e=1,00-1,10 единицы, при

этом максимальные значения преобладают в центре заготовки, как при свободной

осадке, с образованием деформационного креста [70,71]. Образование

деформационного креста, в свою очередь свидетельствует о сдвиговом характере

деформации.

а)

б)

Рисунок 33 - Поля распределения накопленной деформации при обработке в первом ковочном блоке:

87

а – продольное сечение; б – поперечное сечение

Второй ковочный блок

После второго ковочного блока распределение накопленной деформации

(рисунок 34) становится более однородным. Уровень накопленной деформации

возрастает до 3,5 единиц.

а)

б)

Рисунок 34 - Поля распределения накопленной деформации при обработке во

втором ковочном блоке:

а – продольное сечение; б – поперечное сечение

88

Поля распределения средних напряжений. Анализ результатов компьютерного

моделирования показал, что как в первом (рисунок 35), так и во втором

(рисунок 36) ковочных блоках в осесимметричной области деформируемой

заготовки преобладают сжимающие напряжения. Схемы сжатия, как правило,

способствуют получению бездефектных полуфабрикатов.

Первый ковочный блок

а)

б)

Рисунок 35 - Поля распределения средних напряжений при обработке в первом

ковочном блоке

89

Второй ковочный блок

а)

б)

Рисунок 36 - Поля распределения средних напряжений при обработке во втором

ковочном блоке

Поля распределения температур. Анализ показывает, что в условиях

высокоскоростного обжатия возникает интенсивный деформационный разогрев

деформируемого материала (рисунки 37, 38). После обработки в первом ковочном

блоке разогрев составляет 95-120 °С, после обработки во ковочном блоке

температура достигает 290 °С.

90

Первый ковочный блок

а)

б)

Рисунок 37 - Поля распределения температур при обработке в первом ковочном

блоке

91

Второй ковочный блок

а)

б)

Рисунок 38 - Поля распределения температур при обработке во втором ковочном

блоке:

а – на поверхности; б – в продольном сечении

92

Поля распределения контактных давлений. Анализ показывает, что в условиях

высокоскоростного обжатия, при обработке в первом ковочном блоке контактные

давления достигают 950 МПа, при обработке во втором ковочном блоке до

1000 МПа (рисунки 39, 40).

Первый ковочный блок

Рисунок 39 - Поля распределения контактных давлений при обработке в первом

ковочном блоке

93

Второй ковочный блок

а)

б)

Рисунок 40 - Поля распределения контактных давлений при обработке во втором

ковочном блоке:

а – первая пара бойков; б – вторая пара бойков

На рисунке 41 представлены графики сил в процессе обработки в первом и

втором ковочных блоках. Из графиков видно, что максимальные силы возникают

94

в первом ковочном блоке и составляют 3200 кН. Во втором ковочном блоке

необходимые силы снижаются и достигают значений 2400-2500 кН.

Рисунок 41 – Графики сил для процессов радиальной ковки:

а – первый блок; б – второй блок, первая пара бойков; в – второй блок, вторая

пара бойков

3.3 Математический анализ процесса РКУП-«Конформ» с выдавливанием

Описание метода РКУП-Конформ. Метод равноканального углового

прессования был разработан известным советским ученым В.М. Сегалом с

коллегами в 1970-х годах [57, 111]. Основная цель применения данного метода

состоит в упрочнении заготовок пластической деформацией, без изменения

поперечного сечения заготовки. Данная особенность обеспечивает возможность

95

многократного деформирования заготовки до достижения высоких прочностных

свойств.

Дальнейшее развитие данной технологии привело к появлению новых

эффективных методов пластической обработки, основанных на сдвиговой

деформации. В настоящее время наиболее эффективными и перспективными с

точки зрения промышленного применения методами повышения свойств

металлов являются РКУП-«Конформ», РКУП в параллельных каналах, Мульти-

РКУП-«Конформ», позволяющие получать длинномерные полуфабрикаты

(проволока, катанка, прутки) с УМЗ структурой. Эти методы имеют высокий

коэффициент использования металла. [111-119].

В предлагаемой технологии используется метод РКУП-«Конформ» с

применением фильеры для выдавливания готового контактного провода. Стоит

отметить, что в отличие от других методов непрерывного прессования,

основанных на использовании активных сил трения, способ РКУП-«Конформ»

обладает достаточно простой кинематической схемой, имеет сравнительно

высокую производительность, а также является технологичным методом за счет

быстрой смены инструмента. Продукция, полученная непрерывным прессованием

на установке «Конформ», имеет высокое качество и точность геометрических

размеров, при этом практически отсутствует пресс-остаток [111, 114].

Процесс реализуется следующим образом (рисунок 42): заготовка 4

подается в прямоугольный канал образованный гравюрой вращающегося

рабочего колеса 1, матрицей и неподвижным прижимом 3. Сила прессования

обеспечивается в процессе вращения колеса 1 посредством возникающих

активных сил трения между гравюрой колеса 1 и заготовкой 4, тем самым

обеспечивается продвижение заготовки 4 через рабочий канал. Рабочий канал в

выходной части матрицы имеет отверстие, формирующее заданный профиль

контактного провода, что в совокупности с последующей термической

обработкой обеспечивает выход готовой продукции без дополнительных

операций смотки, размотки и др.

96

Рисунок 42 – Схема РКУП-«Конформ» с выдавливанием:

1 – рабочее колесо; 2 – матрица; 3 – прижим; 4 – заготовка;

Условия и допущения, принятые при проведении компьютерного

моделирования РКУП-Конформ с выдавливанием. При моделировании

РКУП-«Конформ» была использована заготовка, полученная моделированием на

предыдущем этапе, с целью получения данных при полном цикле пластической

обработки.

Заготовка – пластичное тело. Размеры прямоугольного поперечного сечения

исходной заготовки – 26х26 мм, длина – 400 мм. Поперечное сечение заготовки

после обработки – профиль фасонного контактного провода для

высокоскоростного железнодорожного транспорта с номинальной площадью

150 мм2 [16].

Модели заготовки и инструмента были созданы с помощью системы CAD –

КОМПАС-3D и сохранены в формате «stl».

97

Была сгенерирована сетка конечных элементов, состоящая из тетраэдров,

количество которых составляло 50 000. Минимальный размер элемента – 1,9 мм,

максимальный размер – 3,8 мм. Была активирована опция компенсации объема

модели заготовки. Штамповый инструмент – абсолютно жесткое тело. Модели

инструментов на конечно-элементную сетку не разбивали.

Угловая скорость вращения рабочего колеса, исходя из постоянства

секундных объемов для согласования производительности оборудования выбрана

постоянной и равна 1 рад/сек, что соответствует частоте вращения 10 об/мин.

Моделирование было выполнено для процесса деформации при комнатной

температуре с учетом прироста температуры металла за счет теплового эффекта

деформации. Коэффициент теплообмена штампового инструмента с заготовкой

принимали равным 5 Н/сек/мм/°C (5000 Вт/м2×°C). Температура инструмента при

моделировании была постоянной и составляла 300 °C.

В связи с тем, что проводили моделирование объемной схемы деформации с

высокими контактными напряжениями, то был использован фактор трения по

Зибелю. На основе предварительно проведенного эксперимента по определению

коэффициента трения методом осадки колец, а также литературных данных [104]

фактор трения принимали равным – f = 0,4 – между колесом и заготовкой, f = 0,2

– между заготовкой и остальными элементами оснастки. На контактных

поверхностях оснастки задано условие непроницаемости.

Количество шагов моделирования составило 2000.

Анализ полученных данных. Исследование было проведено относительно

следующих параметров: распределение накопленной деформации в поперечном и

продольном сечениях заготовки, контактные напряжения, прирост температуры и

максимальный крутящий момент на рабочем колесе.

На рисунке 43 представлена заготовка в процессе РКУП-«Конформ»,

совмещенного с выдавливанием контактного провода.

98

Рисунок 43 – Общий вид заготовки в процессе РКУП-«Конформ» с

выдавливанием провода

Для процесса РКУП-«Конформ» было разработано два варианта матриц. На

рисунке 44 представлены 3D модели вариантов матрицы. Первый вариант –

плоская матрица (а), второй вариант – конусная, с полным углом матрицы 60° (б).

а) б)

Рисунок 44 – 3D модели матрицы РКУП-«Конформ» с выдавливанием:

а – плоская; б – конусная

На рисунках 45-46 представлены поля распределения средних напряжений в

продольном сечении заготовки, а также графики величин средних напряжений в

центре заготовки (точки обозначены на рисунке). В обоих случаях в очаге

99

деформации преобладают сжимающие напряжения, соответственно, схема

нагружения «мягкая». В случае применения конусной матрицы максимальные

средние напряжения достигают 1100 МПа (рисунок 45), тогда как при

применении плоской матрицы максимальное значение порядка 900 МПа

(рисунок 46).

Рисунок 45 – Поля средних напряжений при применении плоской матрицы

100

Рисунок 46 – Поля средних напряжений при применении конусной матрицы

На рисунках 47-48 представлены поля распределения температур в

продольном сечении заготовки. Согласно анализу полученных данных,

применение плоской матрицы (рисунок 47) ведет к сравнительно высокому

разогреву заготовки в процессе пластической обработки. Так, максимальная

температура в центральной области заготовки после выдавливания достигает

580 °C. В периферийной области плоской матрицы наблюдается разогрев

до 650-700 °C.

101

В случае применения конусной матрицы разогрев менее интенсивный

(рисунок 48). При этом температура заготовки после выдавливания

достигает 400-450 °C, хотя в периферийных областях очага деформации уровень

значений температуры достигает 500-550 °C. Полученные результаты

свидетельствуют о более высокой тепловой нагрузке на оснастку при

использовании плоской матрицы.

а)

б)

Рисунок 47 – Поля распределения температур при применении плоской матрицы:

а – продольное сечение; б – поперечное сечение

102

а)

б)

Рисунок 48 – Поля распределения температур при применении конусной

матрицы:

а – продольное сечение; б – поперечное сечение

На рисунке 49 представлены поля распределения контактных давлений в

очаге деформации. Вследствие более высокой температуры заготовки на

контактной поверхности при использовании плоской матрицы, наблюдаются

более низкие значения контактных давлений в сравнении с использованием

конусной матрицы.

103

а)

б)

Рисунок 49 – Поля распределения контактных давлений при применении:

а - плоская матрица; б - конусная матрица

На рисунке 50 показан график крутящих моментов необходимых для

реализации процесса деформирования по схеме РКУП-Конформ с

выдавливанием. Из графика видно, что необходимый крутящий момент при

использовании плоской матрицы ниже на 5-7 %, чем при использовании конусной

матрицы.

104

Рисунок 50 – Крутящий момент на колесе в процессе РКУП-«Конформ» с

выдавливанием в зависимости от типа матрицы

Таким образом, установлено, что применение плоской матрицы приводит к

получению температуры заготовки на выходе из очага деформации порядка

600 °C, что превышает «традиционную» температуру старения на 100-150 °C,

поэтому использование конусной матрицы с температурой выдавленного провода

порядка 400-450 °C более предпочтительно. Далее в исследованиях использовали

вариант конусной матрицы.

На рисунке 51 представлены поля распределения накопленной деформации

после «сквозного» (с сохранением истории деформирования каждого этапа)

моделирования трех этапов пластической обработки по предложенной схеме.

Согласно полученным данным, степень накопленной деформации в готовом

проводе достигает 6,5 единиц по периферии и 5,5 единиц в центральной области.

0

50

100

150

200

250

300

Плоская Конусная

Кр

утящ

ий

мо

ме

нт,

кН

·м

105

а)

б)

Рисунок 51 – Поля распределения накопленной деформации «сквозного»

моделирования трех этапов пластической обработки:

а - поперечное сечение; б - продольное сечение

Таким образом, высокий уровень накопленной деформации и условия

знакопеременного и сдвигового характера деформации отвечают принципам

ИПД.

106

Выводы к третьей главе

Проведено математическое моделирование пластической обработки

заготовки по предлагаемой схеме:

1. Методом конечно-элементного компьютерного моделирования

исследованы напряженно-деформированное состояние и определены

рациональные технологические параметры процессов радиального обжатия и

РКУП-«Конформ» с выдавливанием фасонного контактного провода.

2. Установлено, что при обработке в первом ковочном блоке происходит

сдвиговая деформация, что подтверждено образованием ковочного креста.

Степень деформации при радиальной ковке после второго блока достигает

значений 2,5-3,5 единиц. При последующей обработке методом РКУП-Конформ

с выдавливанием накопленная деформация достигает 6,5 единиц, при этом в

центре преобладают чуть меньшие значения (до е=5,5). Установлено, что на всех

3-х этапах пластической обработки преобладают сжимающие напряжения (мягкая

схема), что, как правило, положительно влияет на качество получаемого изделия.

3. Показана необходимость контроля и регулирования (охлаждение)

температуры обработки, так как в процессе пластической обработки по

предложенной схеме происходит деформационный разогрев до 550°C

(достигается на стадии обработки методом РКУП-«Конформ») в области

формообразования профиля провода.

4. С помощью методов математического моделирования и полного

факторного эксперимента разработаны математические модели (регрессионные

уравнения) влияния технологических параметров процесса радиальной ковки

(скорость подачи и конструктивное исполнение бойков) на деформированное

состояние заготовки в процессе пластической обработки.

5. Установлено, что применение фигурных бойков и увеличение

продольной подачи не оказывают существенного влияния на уровень

накопленной деформации, так как найденные коэффициенты регрессии (0,00459 и

0,00411) в уравнении сравнительно малы. Минимальную вытяжку обеспечивает

107

при прочих равных условиях фигурный открытый калибр. В сравнении с условно

открытым калибром применение закрытого калибра на 20 %, а плоского калибра

на 5% увеличивает величину вытяжки, что свидетельствует о не столь значимой

разнице в применении плоского или фигурного открытого калибра. Увеличение

продольной подачи приводит к повышению накопленной деформации в осевой

зоне поковки, однако, при этом силы деформирования увеличиваются на 20 % и

возрастает величина вытяжки на 25 %.

6. Установлено, что увеличение скорости подачи заготовки в процессе

обработки в первом ковочном блоке ведет как к увеличению значения прироста

интенсивности накопленной деформации, так и увеличению величины вытяжки.

Также показано, что при приближении формы рабочей части бойка к круглой

увеличиваются значения прироста интенсивности накопленной деформации, а

применение бойков с обратным углом ведет к уменьшению величины вытяжки и

увеличению уширения заготовки.

108

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

В данной главе представлены результаты исследований процесса получения

лабораторных образцов наноструктурированного контактного провода методом

ковки с последующей обработкой РКУП с выдавливанием. Исследованы

технологические параметры, характер течения, особенности формируемой

структуры, физико-механические свойства полученных лабораторных образцов.

4.1 Описание физического эксперимента

Разрабатываемый технологический процесс включает в себя три основные

операции пластической деформации, а именно, две операции радиальной ковки и

РКУП-«Конформ». Предлагаемые схемы пластической обработки (планируемый

промышленный вариант и физический эксперимент) представлены на рисунках

52-53.

а б в г

Рисунок 52 – Предлагаемая схема пластической обработки:

а - исходная заготовка; б - первая операция радиальной ковки; в - вторая операция

радиальной ковки; г - РКУП-«Конформ» с выдавливанием

109

а б в г д

Рисунок 53 – Схема пластической обработки с целью физического эксперимента:

а - исходная заготовка; б – горячая ковка на исходные размеры; в - первая

операция ковки; г - вторая операция ковки; д - РКУП с выдавливанием

Подготовка к эксперименту. В качестве исходной заготовки был

использован горячепрессованный пруток БрХ1 диаметром 55 мм и длиной

690 мм с горячей перековкой на исходные размеры (рис. 53). Химический состав

исследуемого материала представлен в таблице 8. Согласно проведенному

химическому анализу химический состав исследуемого материала соответствует

ГОСТ 18175-78 [103]. Исходный пруток (35х68 мм) был подвержен

высокотемпературной обработке при 1000 °С в течение 1 часа в печи Nabertherm

L15/11 с последующей закалкой в воду, с целью снятия механических

напряжений и формирования структуры наиболее близкой к литой структуре

сплава. В результате получена крупнозернистая структура со средним размером

зерен 140±3 мкм. Фотография микроструктуры, сделанная с помощью светового

микроскопа, представлена на рисунке 54.

Таблица 8 - Химический состав исследуемого материала

Cu, % Cr, % Ост., %

99,15 0,65 0,2

110

Рисунок 54 – Микроструктура Cu-0,65Cr после закалки

В исходном состоянии сплав Cu-0,65Cr имеет следующие физико-

механические характеристики: предел прочности ~240 МПа, электропроводность

45% IACS, пластичность 40%.

4.2 Пластическая обработка заготовки методом ковки

Исходная заготовка представлена на рисунке 55.

Рисунок 55 – Исходная заготовка для первого ковочного блока

Первая операция ковки. Эксперимент проводили на пневматическом

ковочном молоте модели С41-75 с массой падающей части 75 кг. Частота ударов

данного молота 210 мин-1 (частота ходов бойков на радиально-ковочной машине

составляет порядка 200-260 мин-1), энергия удара 1 кДж. Исходная температура

заготовки – комнатная (~ 20°C). В ходе ковки контролировали температуру, в

среднем нагрев заготовки составил 80-100 °C. В результате первой операции

исходную заготовку перековали до размера поперечного сечения 30х50 мм

111

(рисунок 57) согласно схеме (рисунок 53). Направление протяжки в процессе

обработки сохранялось. Процесс ковки представлен на рисунке 56.

Рисунок 56 – Процесс ковки на воздушном молоте

Рисунок 57 – Заготовка после обработки в первом ковочном блоке

Вторая операция ковки. Производили на том же пневматическом

ковочном молоте, что и первую ковочную операцию. Исходная температура

заготовки 100 °C. В ходе ковки контролировали температуру, в среднем нагрев

заготовки составил 150-200 °C. В процессе второй операции проводили перековку

заготовки после первой ковки до размера поперечного сечения 24х24 мм

(рисунок 58) согласно схеме (рисунок 53). Направление протяжки в процессе

обработки сохраняли.

112

Рисунок 58 – Заготовка после обработки во втором ковочном блоке

После ковочных операций были отрезаны части заготовки, из которых

впоследствии были изготовлены образцы для физико-механических и

структурных исследований.

4.3 Пластическая обработка заготовки методом РКУП с выдавливанием

Следующая операция предлагаемой технологии – равноканальное угловое

прессование по схеме «Конформ», совмещенное с выдавливанием профиля

контактного провода. В физическом эксперименте данного процесса

пластической обработки была применена схема РКУП с выдавливанием. На

данном этапе была разработана конструкторская документация, согласно ей

изготовлена оснастка для проведения эксперимента, проведена пластическая

обработка. Сборочный чертеж оснастки представлен на рисунке 59.

113

Рисунок 59 – Сборочный чертеж оснастки для проведения РКУП совмещенного с

выдавливанием

Для обеспечения подобия температурных условий при проведении

пластической обработки методом РКУП с выдавливанием, образец и оснастка

были нагреты до температуры 450 °C и 300 °C, соответственно.

На рисунке 60 показан лабораторный образец контактного провода,

полученный в результате обработки заготовки по предложенной схеме.

114

Рисунок 60 – Лабораторный образец контактного провода, полученный в

результате обработки заготовки по предложенной схеме

4.4 Термическая обработка полученных образцов контактного провода

Согласно предложенной технологической схеме, образцы после РКУП с

выдавливанием, были подвергнуты термической обработке – старению. Нагрев и

выдержку образцов проводили в электрической атмосферной печи фирмы

Nabertherm модели L15/11. Температура и время обработки были выбраны

согласно литературным данным и проведенным ранее исследованиям

термостабильности хромовых бронз [95,96]. Так температура старения составила

450 °C, при времени выдержки в течение 1 часа, с последующим охлаждением на

воздухе.

4.5 Исследование структуры полученных лабораторных образцов

контактного провода

Анализ структуры образцов контактного провода, а также образцов после

каждого этапа пластической обработки был проведен методами световой,

растровой и просвечивающей электронной микроскопии (СМ, РЭМ и ПЭМ).

После первого этапа ковки зерна приобретают вытянутую форму,

наблюдаются крупные двойники отжига. Средний размер зерен составляет

130±5 мкм.

После второй ковки сохраняется вытянутость структуры, однако в теле

зерен наблюдаются сдвиговые полосы. Средний поперечный размер фрагментов

115

структуры составляет 50±3 мкм. Структура после операций ковки представлена

на рисунке 61.

а

б

Рисунок 61 – Структура после ковки в продольном сечении: а -

первый этап ковки; б - второй этап ковки

После деформации методом РКУП с выдавливанием формируется

неоднородная по сечению сильнодеформированная структура. Исследования

показали, что в приповерхностных областях образцов структура более

деформирована, по сравнению с внутренними областями (рисунок 62).

Рисунок 62 – Неоднородность структуры в поперечном сечении образца после

РКУП-Конформ с выдавливанием (СМ)

116

На мезоуровне (рисунок 63) наблюдаются остаточные после

высокотемпературной обработки частицы второй фазы микронного размера. В

теле зерен наблюдаются полосы сдвига.

а б

Рисунок 63 – Структура в образце после РКУП-К с выдавливанием (РЭМ): а –

продольное сечение, б – поперечное сечение

В результате пластической обработки по предложенной схеме формируется

наноразмерная смешанная структура (рисунок 64) со средним размером

фрагментов 320±15 нм. В теле фрагментов наблюдаются клубки дислокаций и

дислокационные сетки. На границах фрагментов наблюдаются дислокационные

стенки. Выделения вторых фаз преимущественно располагаются по границам

фрагментов (рисунок 64). Прямое наблюдение наноразмерных выделений

вторичных фаз в просвечивающем электронном микроскопе позволяет провести

измерение их среднего размера с точностью ±10 нм. Однако, увеличение

статистики измеряемых элементов и исследование в темном поле позволяет более

точно определить средний размер упрочняющих частиц. Таким образом, в

структуре наблюдаются выделения вторичных фаз 20-100 нм со средним

размером 20±3 нм, что согласуется с литературными данными

[120-122]. Исходя из литературных данных, наблюдаемые глобулярные

выделения вторичных фаз относят к чистому хрому и интерметаллидному

соединению системы Cu-Cr – Cu2Cr [120-127].

117

а б

Рисунок 64 – Структура в продольном сечении образца после РКУП с

выдавливанием (ПЭМ): а – светлопольное изображение, б – темнопольное

изображение

Согласно предложенной технологической схеме образцы после РКУП с

выдавливанием были подвергнуты термической обработке – старению. После

старения (рисунок 65) сохраняется смешанная зеренно-субзеренная структура,

средний размер фрагментов увеличивается до 360±17 нм. На границах

фрагментов наблюдается дифракционный контраст, свидетельствующий о

происходящей релаксации данных областей при старении. Сохраняются развитые

дислокационные сетки с закрепленными на них частицами вторых фаз. Средний

размер выделений вторичных фаз после старения хромовой бронзы составляет

30±3.

118

а б

Рисунок 65 – Структура в образце (продольное сечение) после РКУП с

выдавливанием и старения (ПЭМ): а – светлопольное изображение, б –

темнопольное изображение

Рентгеноструктурный анализ. Рентгеноструктурные исследования

проводились для образцов, полученных после каждого этапа пластической

обработки и постдеформационного старения. В связи с тем, что исследования

крупнозернистого исходного состояния после высокотемпературной обработки и

закалки в воду методом рентгеноструктурного анализа не эффективны, данные по

этому состоянию не приводятся. Рентгеноструктурный анализ показал, что ковка

во втором блоке ведет к увеличению плотности дислокаций и измельчению

структуры (Таблица 9).

119

Таблица 9 - Результаты рентгеноструктурного анализа

Состояние ОКР, нм

Микродеформация, еhkl, %

Плотность дислокаций ρ,

1015 м-2

Параметр решетки, Ǻ

Ковка 1 465 0,108 1,25 3.617(6)

Ковка 2 220 0,127 1,71 3.617(4)

РКУП с выдавливанием 110 0,158 2,65 3.616(7)

РКУП с выдавливанием +

старение 450 °С 1ч 160 0,120 1,65 3.615(9)

Область когерентного рассеивания (ОКР) уменьшается до величины 220 нм.

Параметр решетки при этом почти не меняется, что свидетельствует о том, что

основное упрочнение происходит по дислокационному механизму. Дальнейшая

обработка методом РКУП с выдавливанием провода ведет к дальнейшему

уменьшению ОКР и увеличению плотности дислокаций. Параметр решетки

уменьшается, что может быть свидетельством протекания деформационно-

стимулированного распада пересыщенного твердого раствора. Последующее

старение, направленное на дисперсионное упрочнение материала, приводит к

снижению плотности дислокаций, некоторому увеличению размера ОКР, что

может быть связано с переходом границ в устойчивое состояние. Также

уменьшается параметр решетки, что свидетельствует о термостимулированном

распаде твердого раствора легирующих элементов в медной матрице.

4.6 Физико – механические и эксплуатационные свойства полученных

образцов контактного провода

В таблице 10 представлены физико-механические свойства образцов на

различных этапах деформации.

120

Таблица 10 - Физико-механические свойства образцов на различных этапах деформации

HV, МПа σmax, МПа ε, % δ, % IACS

1000 °С 1ч 750±50 240±10 45±2 35±2

Ковка 1 1000±50 340±10 18±2 33±2

Ковка 2 1120±50 365±10 17±2 33±2

РКУП с выдавливанием 1350±50 480±15 15±2 40±2

РКУП с выдавливанием+

450 °С 1ч 1850±50 560±20 23±2 76±2

По результатам исследования механических характеристик (рисунок 66)

сплава Cu-0,65Cr упрочнение происходит в первом блоке ковки, а второй блок не

ведет к упрочнению. Предел прочности после ковки во втором блоке составляет

365±10 МПа. Электропроводность на этапе ковки сохраняется на уровне

33 % IACS. 1 цикл РКУП, совмещенного с выдавливанием, существенно

упрочняет материал. Предел прочности повышается на 115 МПа и составляет

480 МПа. Последующее дисперсионное упрочнение на этапе старения приводит к

еще более существенному росту предела прочности вплоть до 560±20 МПа.

Электропроводность (рисунок 67) после РКУП с выдавливанием равна 40 %

IACS, что связано с режимом деформирования при 450°С. Старение при 450 °С в

течение 1 часа повышает электропроводность до 76 % IACS. Необходимо

отметить, что после старения уровень пластичности (рисунок 68) достигает 23 %.

Данное значение пластичности обусловлено вытянутостью структуры и

преимущественным расположением частиц вторых фаз по границам фрагментов.

В результате проведенной обработки лабораторные образцы контактного

провода обладают следующими физико-механическими свойствами:

- Предел прочности: 560±20 Мпа;

- Электропроводность: 76±2 % IACS;

121

- Пластичность: 23±2 %.

Рисунок 66 – График изменения предела прочности (МПа) в зависимости от

режима обработки

Рисунок 67 – График изменения электропроводности (% IACS) в зависимости от

режима обработки

240

340

365

480

560

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

1000°С 1ч Ковка 1 Ковка 2 РКУП с выдавливанием.

РКУП с выдавливанием+450°С

1ч

35 33 33

40

76

25

35

45

55

65

75

85

1000°С 1ч Ковка 1 Ковка 2 РКУП с выдавливанием.

РКУП с выдавливанием+450°С

1ч

122

Рисунок 68 – График изменения пластичности (%) в зависимости от режима

обработки

Исследование эксплуатационных свойств лабораторных образцов

контактного провода. В ходе проведения аттестации полученных образцов были

проведены испытания на перегиб и скручивание. В результате проведенной

обработки лабораторные образцы контактного провода обладают следующими

эксплуатационными свойствами:

-Количество скручиваний: 6;

-Количество перегибов: 4.

4.7 Укрупненная оценка снижения затрат от использования новой схемы

Согласно приведенным выше литературным данным, а так же данным [128]:

Задействованные производственные площади:

1. Традиционная схема обработки

- площадь линии ЛПА = 800 м2,

- площадь линии волочения = 420 м2.

2. Новая схема непрерывного комбинированного процесса

45

18 17

15

23

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1000°С 1ч Ковка 1 Ковка 2 РКУП с выдавливанием.

РКУП с выдавливанием+450°С

1ч

123

- площадь комбинированной линии = 900 м2 Задействованные мощность оборудования:

1. Традиционная схема обработки

- три клети (черновая, получистовая и чистовая) прокатки = 1370 КВт

- линия волочения = 500 КВт

2. Новая схема непрерывного комбинированного процесса

- радиально-ковочная машина: SMS Meer SMX 350/6 = 660 КВт;

- экструдер TJ 550 - 450 КВт

Стоимость энергии для промышленных предприятий в среднем 3.1 рубля за

1 кВт (в среднем).

Стоимость 1 м2 производственных площадей 25 тыс. рублей (в среднем)

Расчет затрат проведен в расчете на год, при двухсменной работе (16 часов)

и 240 рабочих днях.

Затраты по использованной энергии:

1. Традиционная схема обработки:

Сумма мощностей 1770 КВт, расчетная стоимость затрат по энергии за час:

G=1770×3,1 =5487 руб.

Итого за год:

240×16×G=240×16×5487 = 21070080 рублей

2. Новая схема непрерывного комбинированного процесса

Сумма мощностей 1810 КВт, расчетная стоимость затрат по энергии за час

1810×3.1 =5611 рублей

Итого за год: 240×16×G=240×16× 5797 =21546240 рублей

Затраты по площадям

Абсолютная разница по используемым площадям составляет 320 м2 в

пользу их экономии при внедрении нового процесса.

Сумма сэкономленных затрат составляет Ф=25000×320=8 млн. рублей. С

учетом амортизационных отчислений экономический эффект в год составляет

124

(26):

(26)

где На - норма амортизации, %; Ф - стоимость выведенных из

амортизационных затрат площадей.

A= 2,5:100× 8000000 = 200000 рублей,

Итого, общий экономический эффект от внедрения новой технологии по

экономии энергии и производственных площадей составит:

21546240-21070080+200000=676160 рублей.

Таким образом, применение разработанных и представленных технических

решений является экономически целесообразным.

4.9 Рекомендации по использованию полученных результатов

Усиленные прочностные и пластические свойства в комплексе с достаточно

высоким уровнем электропроводности полученного контактного провода

обусловливают высокие перспективы их применения на строящихся в настоящее

время высокоскоростных магистралях в России. Медные сплавы систем Cu-Cr,

Cu-Cr-Zr считаются одними из наиболее перспективных материалов для

применения в области контактных сетей высокоскоростного железнодорожного

транспорта, так как сочетают в себе очень удачный комплекс физико-

механических свойств, в частности, высокую прочность, жаростойкость,

сопровождающиеся высокой электропроводностью. Применение методов

интенсивной пластической деформации позволяет улучшить комплекс свойств

прочность - пластичность данных сплавов, сохраняя при этом высокие показатели

электропроводности.

В то же время, так как данные сплавы являются дисперсионно-

упрочняемыми, то для максимального упрочнения в процессе пластической

(деформационно-стимулированный распад) и последующей термической

обработки необходимо проводить закалку на твердый раствор.

125

В основе примененных в данной работе методах ИПД лежит измельчение

исходной крупнозернистой структуры. Традиционную (для производства

контактных проводов) горячую пластическую обработку методом прокатки

проводят при температурах, близких к температуре плавления (Tпл.).

Пластическая обработка, проведенная при таких температурах, причем неважно, с

применением методов ИПД или без них, ведет к рекристаллизации измельченной

структуры. В проведенной работе показано, что для получения наноструктурных

контактных проводов рекомендуется проводить пластическую обработку со

степенью накопленной деформации не ниже 6 единиц при температуре не выше

550 °C.

Согласно проведенному в процессе исследования компьютерному

моделированию, применение ковки со сменой осей приложения сил позволяет

реализовать схему деформации по принципу простого сдвига, что, согласно

работам известных ученых [79,81,111-119], позволяет интенсифицировать

измельчение структуры металла и, соответственно, получать необходимый

уровень накопленной деформации за меньшее количество циклов, чем при

монотонной пластической обработке.

В результате анализа полученных компьютерным моделированием данных

при обработке медных сплавов методом ковки по предложенной схеме

установлено, что применение фигурных бойков не приносит существенного

вклада в интенсификацию измельчения структуры. В то же время изготовление

таких бойков потребует дополнительных затрат. Рекомендуется использование

простых в изготовлении бойков плоской конфигурации.

Выбор материала оснастки и ее стойкость очень сильно зависят от

контактных напряжений и температурного фактора. Согласно [129], допустимые

величины напряжений современных сталей для холодной деформации могут

составлять от 1300 до 2000 МПа, в зависимости от марок используемых сталей.

Также важным критерием, который необходимо учитывать при выборе

оборудования и проектирования оснастки, является сила деформирования.

Согласно полученным энергосиловым параметрам обработки для изготовления

126

требуемой деформирующей оснастки по предложенной схеме рекомендуется

использовать сталь 4Х4ВМФС, либо ее аналоги.

При разработке матрицы совмещенного процесса РКУП-«Конформ» с

выдавливанием необходимо учитывать, что применение плоской конфигурации

увеличивает требуемые усилия, но при этом повышает качество изделия за счет

застойной зоны, в результате образования которой происходит внутреннее

течение (трение) металла и поверхность металла получается чистой и

бездефектной.

Согласно предложенной схеме, за счет последовательного применения

эффективных методов интенсивной пластической деформации, позволяющих

получать готовую продукцию на базе одной технологической линии,

обеспечивается снижение количества операций и межоперационных затрат, а

также сокращение требуемых производственных площадей по сравнению с

традиционной схемой обработки.

Выводы к четвертой главе

Проведено верификационный физический эксперимент пластической

обработки заготовки по предлагаемой схеме:

1. В результате физического эксперимента получены лабораторные

образцы наноструктурированного контактного провода с новым комплексом

физико-механических и эксплуатационных свойств для высокоскоростных

железнодорожных магистралей, при этом предел прочности составляет 560±20

МПа, электропроводность 76±2 %, пластичность 23±2 %, количество скручиваний

до разрушения 6, количество перегибов до разрушения 4, заметно превосходящим

требования ГОСТ Р 55647-2013 для проводов повышенной прочности (Бр2).

2. В процессе комплексной пластической деформации по предложенной

схеме происходит измельчение структуры до наноразмерных параметров.

Формируется зеренно-субзеренная структура с размером структурных фрагментов

20-320 нм.

127

3. Исследована кинетика структурных превращений методами ОМ,

РЭМ, ПЭМ и рентгеноструктурного анализа. Показано, что максимальный вклад в

измельчение вносит операция РКУП с выдавливанием, которая приводит к

формированию структуры со средним размером 320±15 нм и параметром

ОКР 110 нм.

4. После РКУП с выдавливанием наблюдается высокая плотность

дислокаций, величина которой составляет 2,65*1015 м-2. Исследование методом

ПЭМ показывает наличие выделений вторых фаз размером 20-100 нм

преимущественно на границах фрагментов структуры.

5. Последующее старение при 450 °С в течение 1 часа ведет увеличению

размеров ОКР до 160 нм. Плотность дислокаций уменьшается до величины

1,65*1015 м-2. Уменьшение параметра решетки и увеличение значения

электропроводности в процессе комбинированной термомеханической обработки

свидетельствует о процессе распада пересыщенного твердого раствора,

сформированного после высокотемпературной обработки с последующей

закалкой.

6. Комплексный анализ полученных данных отражен в технических

рекомендациях по использованию комбинированной обработки методами ИПД

при проектировании подобных непрерывных процессов для получения продукции

и полуфабрикатов в виде проводов, катанки, прутков из других металлов и

сплавов.

128

Заключение

В соответствии с целью исследований в диссертационной работе решена

задача создания непрерывного комбинированного процесса пластической

обработки для получения наноструктурированного контактного провода

высокоскоростных магистралей из термоупрочняемого низколегированного

сплава системы Cu-Cr с повышенным комплексом физико-механических и

эксплуатационных свойств и получены следующие результаты:

1) На основе аналитического исследования существующих способов и

методов получения контактных проводов для ВСМ выявлено, что страны-лидеры

в данной области переходят при производстве контактного провода на

использование низколегированных термоупрочняемых сплавов, обеспечивающих

получение предела прочности до 600 МПа, при сохранении электропроводимости

на уровне 75-85 %IACS. Особый интерес для повышения свойств в длинномерных

заготовках и изделиях представляет ИПД как метод пластического

структурообразования. Технологически приемлемыми методами ИПД для

непрерывной обработки длинномерных полуфабрикатов являются РКУП-К,

Мульти-РКУП-К, радиальное обжатие (всесторонняя ковка), а также их

комбинации с традиционными способами ОМД (волочением, прокаткой).

Разработаны новые научно-технические решения для получения контактного

провода для железнодорожной высокоскоростной магистрали. При этом

традиционные квазимонотонные процессы пластической обработки методами

горячей прокатки и холодного волочения замещены на комбинацию

немонотонных процессов ИПД, реализованных методами радиального обжатия со

сменой осей приложения сил и РКУП-К, совмещенным с выдавливанием

контактного провода фасонного профиля.

2) Предложена новая комбинированная схема пластической обработки

низколегированной бронзы с заменой традиционных квазимонотонных процессов

129

деформационной обработки методами горячей прокатки и холодного волочения

на немонотонные процессы ИПД – обжатие со сменой осей приложения сил и

РКУП-«Конформ», совмещенный с выдавливанием провода фасонного профиля.

Принципиальным отличием от известных технологических решений получения

непрерывным способом длинномерных изделий из термоупрочняемых бронз

является проведение закалки сразу после кристаллизации для фиксации твердого

раствора с дальнейшим формообразованием в условиях интенсивной

пластической деформации.

3) Методом математического моделирования исследованы напряженно-

деформированное состояние и технологические параметры процессов

радиального обжатия и РКУП-К с выдавливанием провода. Определены и

исследованы рациональные технологические параметры обработки и

геометрические параметры деформирующего инструмента. Установлено, что

степень деформации при радиальной ковке после второго блока достигает

значений 2,5-3,5 единиц. При последующей обработке методом РКУП-Конформ

с выдавливанием накопленная деформация достигает 6,5 единиц, при этом в

центре преобладают чуть меньшие значения (до е=5,5). Показано, что в процессе

РКУП-Конформ с выдавливанием провода в периферийной области очага

деформации происходит деформационный разогрев до 550°C. Установлено, что

на всех 3-х этапах пластической обработки преобладают сжимающие напряжения

(мягкая схема), что, как правило, положительно влияет на качество получаемого

изделия.

4) С помощью методов математического моделирования и полного

факторного эксперимента разработаны математические модели (регрессионные

уравнения) влияния технологических параметров процесса радиальной ковки

(скорость подачи и конструктивное исполнение бойков) на деформированное

состояние заготовки в процессе пластической обработки. Установлено, что

применение фигурных бойков и увеличение продольной подачи не оказывают

существенного влияния на уровень накопленной деформации, так как найденные

коэффициенты регрессии (0,00459 и 0,00411) в уравнении сравнительно малы.

130

Минимальную вытяжку обеспечивает при прочих равных условиях фигурный

открытый калибр. В сравнении с условно открытым калибром применение

закрытого калибра на 20%, а плоского калибра на 5% увеличивает величину

вытяжки, что свидетельствует о не столь значимой разнице в применении

плоского или фигурного открытого калибра. Увеличение продольной подачи

приводит к повышению накопленной деформации в осевой зоне поковки, однако,

при этом силы деформирования увеличиваются на 20% и возрастает величина

вытяжки на 25%.

5) В процессе комплексной пластической деформации по предложенной

схеме пластического структурообразования происходит измельчение структуры

до наноразмерных параметров. Формируется зеренно-субзеренная структура с

размером структурных фрагментов 20-320 нм.

Исследована кинетика структурных превращений методами ОМ, РЭМ,

ПЭМ и рентгеноструктурного анализа. Показано, что максимальный вклад в

измельчение вносит операция РКУП с выдавливанием, которая приводит к

формированию структуры со средним размером 320±15 нм и параметром ОКР 110

нм. Выделения вторых фаз размером 20-100 нм расположены преимущественно

на границах фрагментов структуры. Наблюдается высокая плотность дислокаций,

величина которой составляет 2,65*1015 м-2.

Последующее старение при 450°С в течение 1 часа ведет увеличению

размеров ОКР до 160 нм. Плотность дислокаций уменьшается до величины

1,65*1015 м-2. Уменьшение параметра решетки и увеличение значения

электропроводности в процессе комбинированной термомеханической обработки

свидетельствует о процессе распада пересыщенного твердого раствора,

сформированного после высокотемпературной обработки с последующей

закалкой.

6) В результате физического эксперимента получены лабораторные

образцы наноструктурированного контактного провода с новым комплексом

физико-механических и эксплуатационных свойств для ВСМ, при этом предел

прочности составляет 560±20 МПа, электропроводность 76±2 %, пластичность

131

23±2 %, количество скручиваний до разрушения 6, количество перегибов до

разрушения 4, заметно превосходящим требования ГОСТ Р 55647-2013 для

проводов повышенной прочности (Бр2).

7) Комплексный анализ полученных данных отражен в технических

рекомендациях по использованию комбинированной обработки методами ИПД

при проектировании подобных непрерывных процессов для получения продукции

и полуфабрикатов в виде проводов, катанки, прутков из других металлов и

сплавов.

132

Список сокращений и условных обозначений

ИПД Интенсивная пластическая деформация ВСМ Высокоскоростная железнодорожная магистраль КЗ Крупнозернистый УМЗ Ультрамелкозернистый НК Нанокристаллический НЛП Установка непрерывного литья-прокатки IACS The International Association of Classification Societies РКУП равноканальное угловое прессование РКУП - К равноканальное угловое прессование по схеме «Конформ» ppm Единица измерения концентрации, миллионная доля ИПДК интенсивная пластическая деформация кручением СПП Совмещенная прокатка-прессование СЛиПП Совмещенное литье прокатка-прессование РО Радиальное обжатие ВИК Всесторонняя изотермическая ковка НС Наноструктурный, наноструктурированный ПЭМ просвечивающая электронная микроскопия СМ Световая микроскопия РСА рентгеноструктурный анализ P давление МКЭ Метод конечных элементов НДС Напряженно-деформированное состояние МНК Метод наименьших квадратов Hν микротвердость относительное удлинение ε относительная степень деформации в условный предел прочности т условный предел текучести

133

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Берент, В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в

устройствах железнодорожного транспорта / В.Я. Берент. – М.: Интекст, 2005. –

408 с.

2. Официальный сайт ОАО «РЖД» АО «Скоростные магистрали»

[Электронный ресурс]. – URL: http://www.hsrail.ru (дата обращения 20.03.2018).

3. Аржанников, Б.А. Тяговое электроснабжение постоянного тока

скоростного и тяжеловесного движения поездов: монография / Б.А. Аржанников.

– Екатеринбург: изд., УрГУПС, 2012. – 207 с.

4. Райков, Ю.Н. Медные сплавы. Марки, свойства, применение: справочник

/ Ю.Н. Райков, Г.В. Ашихмин, В.П. Полухин, А.С. Гуляев; под общ. ред. Ю.Н.

Райкова. – М.: ОАО «Институт Цветметобработка», 2011. – 456 с.

5. Высокоскоростные железнодорожные магистрали и BIM [электронный

ресурс]URL:http://www.cadmaster.ru/magazin/articles/cm_81_17.html#hcq=FZzBoVq

(дата обращения 17.03.2018).

6. Васильева, М.А. Высокоскоростной железнодорожный транспорт в

Сибири. / М.А. Васильева // Молодежный научный форум: Технические и

математические науки – 2014. № 6(13).

7. Ollivier, G. High-Speed Railways in China: A Look at Construction Costs / G.

Ollivier, J. Sondhi, N. Zhou // China Transport Topics. – 2017. - № 9.

8. Гершман, И.С. Требования к контактным проводам для

высокоскоростного железнодорожного транспорта / И.С. Гершман, Н.В. Миронос

// Вестник ВНИИЖТ. – 2011. – Т.3. - С.13-17.

9. Берент, В.Я. Совершенствование проводов контактной сети / В.Я. Берент

//Вестник ВНИИЖТ. – 2012. – 3т. – С.40-45.

10. Котельников, А.В. Электрификация железных дорог. Мировые

тенденции и перспективы / А.В. Котельников. - М.: Интекст, 2002. - 104 с.

134

11. Liu, Q. Effect of processing and heat treatment on behavior of Cu-Cr-Zr

alloys to railway contact wire / Q. Liu, X. Zhang, Y. Ge, J. Wang, J-Z. Cui //

Metallurgical and Materials Transactions A. - 2006. – Vol.37. - P.3233.

12. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети

электрифицированных железных дорог (ПУТЭКС ЭЖД). ЦЭ-868: утв. МПС РФ

11.12.2001. - М.: Транспорт, 2002. - 184 с.

13. Моргунов, В.В. Производство контактного провода на основе

комплекснолегированной меди / В.В. Моргунов, Е.А. Якубович // Современные

материалы, техника и технологии. – 2016. - № 3(4).

14. Официальный сайт компании «Properzi» [Электронный ресурс]. – URL:

www.properzi.com (дата обращения 12.03.2016).

15. Логинов, Ю.Н. Непрерывные методы литья и прокатки в производстве

контактного провода для железнодорожного транспорта / Ю.Н. Логинов, Р.К.

Мысик // Journal of Siberian Federal University. Engineering and Tecnologies, 2014. –

Т.3. – № 7. – С. 316-326.

16. ГОСТ Р 55647-2013. Провода контактные из меди и ее сплавов для

электрифицированных железных дорог. Технические условия. – М.:

Стандартинформ, 2014. – 9 с.

17. Патент 2163855 Российская Федерация, МПК B 22 D 11/12. Способ

совмещенного непрерывного литья и прокатки медных сплавов / В.Я. Алехин;

заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью

"ФИНАО"; заявл. 01.12.1999. опубл. 10.03.2001.

18. Патент 2188095 Российская Федерация, МПК В 22 D 11/108 Способ

изготовления заготовки катанки для контактного провода / В.Я. Алехин;

заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью

"ФИНАО"; заявл. 16.06.2000; опубл. 27.08.2002.

19. Патент 2201311 Российская Федерация, МПК В 22 D 11/14 Способ

изготовления контактных проводов из меди и ее сплавов / В.Я. Алехин, А.Х.

Камбачеков; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной

ответственностью "ФИНАО"; заявл. 20.02.2001; опубл. 27.03.2003.

135

20. Патент 2378403 Российская Федерация, МПК С 22 С 1/02, C 22 C 9/00, С

22 F 1/08 Способ получения слитка из дисперсионно-твердеющего

низколегированного сплава на медной основе и способ производства из него

металлопродукции / С.А. Костин, А.К. Николаев; заявитель и патентообладатель

Костин С.А., Николаев А.К.; заявл. 10.12.2007; опубл. 10.01.2010.

21. Патент 2089334 Российская Федерация, МПК B 22 D 11/06 Способ

совмещенного непрерывного литья и прокатки меди и ее сплавов / В.Я. Берент;

заявитель Берент В.Я.; заявл. 17.05.1995; опубл. 10.09.1977.

22. Патент 2162764 Российская Федерация, МПК B 22 D 11/00, B 60 M 1/13

Способ получения контактных проводов из сплавов на основе меди / В.Я.

Берент; заявитель и патентообладатель Берент В.Я.; заявл. 04.02.1999; опубл.

10.02.2001.

23. Патент 2236918 Российская Федерация, МПК B21B 1/46 Способ

изготовления контактных проводов / В.Я. Берент; патентообладатель Берент

В.Я.; заявл. 17.01.2002; опубл. 27.09.2004.

24. А.С. 1101323 СССР, МПК B22D 11/06. Способ изготовления

контактного провода / В.Я. Алехин, В.Н. Антропов, Н.А. Буше и др. заявл.

10.01.1983. Опубл. 10.01.1983.

25. Патент 5391243 США, Method for producing wire for electric railways / M.

Goto, S. Kawakita, Y. Mae and other. Опубл. 21.02.1995.

26. Патент 6154838 Япония, Production of copper alloy trolley wire and

hanging stringing / H. Nagasawa, S. Aoki, S. Kawakita and other. Опубл. 03.06.1994.

27. Патент 2123032 Великобритания. Copper-base alloys / С. Buchan. Опубл.

02.10.1985.

28. Патент 6077364 США. Copper trolley wire and method of manufacturing

copper trolley wire / T. Chandler, J. Corrado. Опубл. 20.06.2000.

29. Патент 3072042 Япония. Copper alloy for trolley wire. / M. Asai, S.

Shinozaki, K. Sato and other. Опубл. 27.03.1991.

30. Патент 9279269 Япония. Copper alloy trolley wire / A. Ymazaki. Оубл.

28.10.1997

136

31. Патент 54079120 Япония. Copper alloy for trolley wire / K. Sawada, M.

Kitanishi, Опубл. 23.06.1979.

32. Патент 4171907 Япония. Trolley wire and manufacturing method / N. Kubo,

K. Nanjo, T. Sano and other. Опубл. 29.10.2008.

33. Патент 5147040 Япония. Copper alloy material, copper alloy conductor and

its production method, trolley wire for overhead contact wire, and cable / H. Kuroda, H.

Hiruta, M. Aoyama. Опубл. 20.02.2013.

34. Патент 6240426 Япония. Production of high strength copper alloy trolley

wire / T. Takayama, T. Inoue, T. Kusama Publ. 30.08.1994.

35. Патент 1250816 Китай. Copper-base alloy and its technology / P. Chen.

Опубл. 12.04.2006.

36. Сидельников, С.Б. Комбинированные и совмещенные методы обработки

цветных металлов и сплавов: монография / С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко,

Н.Н. Загиров. – М.: МАКС Пресс, 2005. - 344 с.

37. Богданов, Д. В. Исследование технологических режимов непрерывного

литья-прессования алюминиевых сплавов [Электронный ресурс] / Д. В. Богданов,

Е. С. Уминов, Р. В. Жданкин // Молодёжь и наука: Сборник материалов VIII

Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и

молодых учёныхх, посвященной 155-летию со дня рождения К.Э. Циолковского.

— Красноярск: Сибирский федеральный ун-т. - 2012. — URL: www.conf.sfu-

kras.ru/sites/mn2012/section03.html.

38. Климко, А.П. Структурные исследования пруткового алюминия,

полученного методом совмещенных процессов литья – прокатки – прессования /

А.П. Климко, А.И. Гришечкин, В.С. Биронт // Перспективные материалы,

технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. / под общ. ред. В.В. Стацуры. –

Красноярск: ГАЦМиЗ, 2001. – вып. 7. – С.99-101.

39. Сидельникова, Е.С. Исследование температуры начала

рекристаллизации алюминиевого прутка, полученного методом СЛИПП / Е.С.

Сидельникова, А.П. Климко, В.С. Биронт // Материаловедение и современные

137

технологии: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. Ю.А. Баландина. – Магнитогорск,

2002. – Ч. II. – С. 15-18.

40. Патент 2257419 Российская Федерация, МПК C 22 C 1/03, C 22 F 1/04.

Способ получения модифицирующих материалов для алюминия и его сплавов / А.

П. Климко, Н. Н. Загиров, В. С. Биронт, С. Б. Сидельников, Е.С. Лопатина;

заявители и патентообладатели Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования "Красноярская государственная

академия цветных металлов и золота" – № 2004102027/02; заявл. 22.01.2004;

опубл. 27.07.2005.

41. Горохов, Ю.В. Основы проектирования процессов непрерывного

прессования металлов: монография / Ю.В. Горохов, В.Г. Шеркунов, Н.Н.

Довженко и др. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2013. – 224

с.

42. Green, D. Сonform a new method for the continuous forming of metals / D.

Green // Brit. Ind. – 1969. – 10 – № 6. – Р.18–19.

43. Патент 73245 Российская Федерация, МПК B 21 C 3/00, B 22 D 11/00

Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования цветных металлов и

сплавов / С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, Е.С. Лопатина, Р.Е. Соколов, О.О.

Виноградов, А.С. Пещанский, С.В. Беляев; заявитель и патентообладатель

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования "Сибирский федеральный университет" – №

2007148951/22; заявл. 25.12.2007; опубл. 20.05.2008.

44. Патент 2457914 Российская Федерация, МПК В 21 С 3/00, B 22 D 11/00.

Устройство для непрерывного литья. Прокатки и прессования цветных металлов и

сплавов / В.Н. Баранов, Д.С. Ворошилов, Р.И. Галиев и др.; патентообладатель

Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ

Инженерно-технологический центр" - № 2011103241/02: заявл. 31.01.2011; опубл.

10.08.2012.

138

45. Валиев, Р.З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной

пластической деформацией / Р.З. Валиев, И.В. Александров. – М.: Логос, 2000. –

272 с.

46. Valiev, R.Z. Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool

for grain refinement/ R.Z. Valiev, T.G. Langdon // Progress in Materials Science. –

2006. – Vol. 51. – p. 881.

47. Valiev, R.Z. Paradox of Strength and Ductility in Metals Processed by Severe

Plastic Deformation / R.Z. Valiev, I.V. Alexandrov, Y.T. Zhu, T.C. Lowe // Journal of

Materials Research. – 2002. – Vol. 17. – p. 5-8.

48. Нестеров, К.М. Прочность и электропроводность

ультрамелкозернистого медного сплава системы Cu-Cr / К.М. Нестеров, Р.К.

Исламгалиев, Р.З. Валиев // Вестник УГАТУ. – 2012. – 16 т. - № 8(53). - С. 110-

117.

49. Murashkin, M.Yu. Enhanced mechanical properties and electrical

conductivity in ultrafine-grained Al alloy processed via ECAP-PC / M.Yu. Murashkin,

I. Sabirov, V.U. Kazykhanov, E.V. Bobruk, A.A. Dubravina, R.Z. Valiev // J. Mater.

Sci., - 2013. - vol. 48. - pp.4501-4509.

50. Чукин, М.В. Влияние термической обработки на эволюцию структуры и

свойств стальной проволоки в процессе РКУП протяжки

/ М.В. Чукин, Д.Г. Емалеева // Вестник Магнитогорского государственного

технического университета им. Г.И. Носова. – 2008. – №2. – С.70-71.

51. Чувильдеев, В.Н. Анализ влияния температуры интенсивного

пластического деформирования на диффузионные свойства границ зерен

ультрамелкозернистых металлов / В.Н. Чувильдеев, М.М. Мышляев, А.В. Нохрин,

В.И. Копылов, Ю.Г. Лопатин, О.Э. Пирожникова, А.В. Пискунов, А.В.

Семенычева, А.А. Бобров // Металлы. – 2017. – № 3. – С.62-76.

52. Dobatkin, S.V. High strength and good electrical conductivity in Cu-Cr alloys

processed by severe plastic deformation / S.V. Dobatkin, D.V. Shangina, N.R. Bochvar,

N.Y. Tabachkova, J. Gubicza // Materials Letters. – 2015. – V. 153. – P. 5-9.

139

53. Фахретдинова, Э.И. Сравнительный анализ математического и

физического моделирования нового метода интенсивной пластической

деформации мульти-ркуп-конформ. / Э.И. Фахретдинова, Г.И. Рааб // Цветные

металлы. Сб. докладов шестого международного конгресса. - Красноярск. - 2014.

– С. 1207-1212.

54. Рааб, Г.И. Равноканальное угловое прессование длинномерных

заготовок / Г.И. Рааб, Р.З. Валиев // Цветная металлургия. - 2000. – № 5. – С.50-53.

55. Рааб, Г.И. Развитие научных основ технологий интенсивной

пластической деформации и создание оборудования по схеме равноканального

углового прессования для получения ультрамелкозернистых металлических

полуфабрикатов: автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.03.05 / Рааб Георгий

Иосифович. – Уфа. - 2009. – 36 с.

56. Рааб, Г.И. Разработка и исследование метода СЛиПП-ИПД для

получения алюминиевых полуфабрикатов высокого качества / Г.И. Рааб, Э.И.

Фахретдинова, Р.З. Валиев // Журнал Сибирского Федерального университета.

Серия: техника и технологии. Красноярск. - 2014. – Т. 7. – № 3. – С.309-315.

57. Сегал, В.М. Пластическая обработка металлов простым сдвигом / В.М.

Сегал, В.И. Резников, А.С. Дробышевский, В.И. Копылов // Металлы. - 1981. –

Т.1. - С.115-123.

58. Рааб, Г.И. Равноканальное угловое прессование длинномерных

заготовок / Г.И. Рааб, Р.З. Валиев // Цветная металлургия. - 2000. – № 5. – С.50-

53.

59. Katsas, S. Characterisation of Conform and conventionally extruded Al–

4Mg–1Zr. Effect of extrusion route on superplasticity / S. Katsas, R. Dashwood, G.

Todd, M. Jackson, R. Grimes // Journal Material Science. - 2010. – Vol. 45. – P.4188–

4195.

60. Polyakov, A.V. Peculiarities of ultrafine-grained structure formation in Ti

Grade-4 using ECAP-Conform / A.V. Polyakov, I.P. Semenova, G.I. Raab // Advanced

Materials Science. - 2012. – Vol. 31. – P.78-84.

140

61. Гундеров, Д.В. Структура и свойства сплава TiNi, подвергнутого

равноканальному угловому прессованию по схеме Conform / Д.В. Гундеров, Е.А.

Прокофьев, А.В. Лукьянов, Г.И. Рааб, А.В. Коротицкий, В. Браиловский, С.Д.

Прокошкин // Материаловедение. - 2009. – № 8. – C.45-48.

62. Xu, C. Principles of ECAP–Conform as a continuous process for achieving

grain refinement: Application to an aluminum alloy / C. Xu, S. Schroeder, P. B. Berbon,

T.G. Langdon // Acta Materialia. - 2010 – Vol. 58. – P.1379–1386.

63. Huang, J.I. Microstructures and dislocation configurations in nanostructured

Cu processed by repetitive corrugation and straightening / J.I. Huang, I.T. Zhu, H. Jiang

// ActaMaterialia. - 2001. – Vol. 49. – P. 1497-1505.

64. Рааб, Г.И. Равноканальное угловое прессование по схеме conform

длинномерных наноструктурных полуфабрикатов из титана / Г.И. Рааб, Р.З.

Валиев // Кузнечно-штамповочное производство. - 2008. – № 1. – С.21-27.

65. Сидельников, С.Б. Исследование влияния интенсивной пластической

деформации на структуру и физико-механические свойства полуфабрикатов

электротехнического назначения из алюминиевых сплавов с переходными и

редкоземельными металлами / С.Б. Сидельников, Г.И. Рааб, М.Ю. Мурашкин,

Л.П. Трифоненков и др. // Моделирование и развитие процессов обработки

металлов давлением: междунар. сб. научных трудов / под ред. В.М. Салганика.

Магнитогорск: изд-во МГТУ им. Г.И. Носова. - 2014. – Т. 20. – С.12-20.

66. Патент 2364660 Российская Федерация, МПК С 22 F 1/18. Способ

получения ультрамелкозернистых заготовок из титановых сплавов / В.В. Латыш,

В.М. Половников, В.В. Кандаров, И.В. Кандаров, И.В. Александров, Д. Краллич;

патентообладатели В.В. Латыш, В.М. Половников, В.В. Кандаров, И.В. Кандаров,

И.В. Александров – № 2007143837/02; заявл. 26.11.2007; опубл. 20.08.2009.

67. Жеребцов, С.В. Влияние теплой ротационной ковки на структуру и

свойства титанового сплава ВТ6 / С.В. Жеребцов, М.А. Боева, Г.А. Салищев, Е. А.

Кудрявцев, А.С. Перцев, В.В. Латыш, И.В. Кандаров // Вестник УГАТУ. – 2012. –

Т.16. - № 7. - С.30-34.

141

68. Зарипова, Р.Г. Влияние интенсивной пластической деформации и

режимов обработки на структуру и механические свойства титанового сплава ВТ6

/ Р.Г. Зарипова, В.А. Шундалов, А.В. Шарафутдинов, В.Д. Ситдиков, И.В.

Кандаров, В.В. Латыш, Н.Г. Зарипов, И.В. Александров // Вестник УГАТУ. –

2012. – Т.16. - № 7. - С.17-24.

69. Дедюлина, О.К. Исследование микроструктуры и механических свойств

среднеуглеродистой стали 40ХГНМ после теплой ротационной ковки / О.К.

Дедюлина, Салищев Г.А., Перцев А.С. // Металловедение и термическая

обработка металлов, - 2016. - № 3 (729). – 7-12 С.

70. Асфандияров, Р.Н. Исследование метода ротационного обжатия в

условиях больших деформаций / Р.Н. Асфандияров, Г.И. Рааб // Вестник

Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2016. -

20 т. № 3(73). - 3-6 С.

71. Асфандияров, Р.Н. Влияние немонотонной и квазимонотонной

деформации на структуру и свойтсва низколегированной бронзы системы Cu-Cr /

Р.Н. Асфандияров, Г.И. Рааб, Д.А. Аксенов, Д.В. Гундеров, Г.И. Заманова //

Вестник Башкирского университета. - 2018. - 23 т., №2. - 269-275 С.

72. Тихонова, М.С. Эволюция микроструктуры аустенитной нержавеющей

стали в процессе многократной ковки при температурах 500 и 800 °C / М.С.

Тихонова, А.Н. Беляков // Фундаментальные исследования. – 2013. - № 1. - С.468-

472.

73. Han, J. Influence of Rotary Forging Process on Microstructure and Properties

of Niobium-Titanium Alloy / J. Han, J. Liu, X. Zhou. // Advanced Materials Research. –

2014. – Vol. 941-944. – P.1808-1811.

74. Дедюлина, О.К. Формирование ульрамелкозернистой структуры в

среднеуглеродистой стали 40ХГНМ ротационной ковкой и ее влияние на

механические свойства / О.К. Дедюлина, Г.А. Салищев // Фундаментальные

исследования. –2013. – №1. – С. 701-706.

75. Официальный сайт компании ООО «СтанГрупп» [Электронный ресурс].

– URL: http://stangroup.ru

142

76. Радюченко, Ю.С. Ротационная ковка Обработка деталей на ротационно-

и радиально-обжимных машинах. / Ю.С. Радюченко. – М.: Машгиз, 1962. – 186 с.

77. Радюченко, Ю.С. Ротационное обжатие. / Ю.С. Радюченко. – М.:

Машиностроение, 1972. – 176 с.

78. Передовые технологии Российского станкостроения [Электронный

ресурс]. URL: www.infiniume.ru/kovka (дата обращения 17.03.2018).

79. Утяшев, Ф.З. Роль и величина компонентов деформации при формировании ультрамелкозернистой и наноразмерной структуры в материалах интенсивной пластической деформации / Ф.З. Утяшев, Р.Ф. Сухоруков, А.А. Назаров, А.И. Потекаев // Известия высших учебных заведений. Физика. -2015. – 58 т. -№1. –64-71 С.

80. Утяшев, Ф.З. Интенсивная пластическая деформация и

структурообразование металла при равноканальном угловом прессовании / Ф.З.

Утяшев, А.К. Галимов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка

материалов давлением. - 2015. - №11. –12-19 С.

81. Утяшев, Ф.З. Научные основы технологии получения и обработки

наноструктурированных металлов и сплавов / Ф.З. Утяшев, Ш.Х. Мухтаров, Р.Ю.

Сухоруков. // Письма о материалах. - 2015. - Т.5. - №2. - 215-219 С.

82. Кайбышев, О.А. Сверхпластичность, измельчение структуры и

обработка труднодеформируемых сплавов / О.А. Кайбышев, Ф.З. Утяшев. - М.:

Наука, 2002. - 438 c.

83. Официальный сайт компании «Aibang» [Электронный ресурс]. – URL:

http://continuousextrusion.ru

84. Основы технологических процессов обработки металлов давлением :

учебное пособие / Г. В. Шимов, С. П. Буркин; под общ. ред. С. П. Буркина. −

Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014.− 160 с.

85. Официальный сайт компании GmbH «SMS group» [Электронный

ресурс]. – URL: https://www.sms-group.com

86. Официальный сайт компании GmbH «GFM» [Электронный ресурс]. –

URL: http://www.gfm.at/

143

87. Официальный сайт компании «ТЕСИС» [Электронный ресурс]. – URL:

http://tesis.com.ru

88. Лицензия. Р.С. SFTS. Key #9190/ Ufa, Russia.

89. Сторожев, М.В. Теория обработки металлов давлением / М.В. Сторожев,

Е.А. Попов. – М.: Машиностроение, 1997. – 423 с.

90. «Теория обработки металлов давлением» Конспект лекций / Н.Н.

Загиров, Е.В. Иванов, В.П. Катрюк, В.Н. Баранов. - Красноярск: СФУ, 2007. -

217с.

91. Салтыков, С. А. Стереометрическая металлография / С. А. Салтыков. –

М: Металлургия, 1976.-270 С.

92. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. Введ.

16.07.1984. – М.: Изд-во стандартов, 1984. – 24 с.: ил.

93. ГОСТ 1545-80. Проволока. Метод испытания на скручивание. - М.: ИПК

Издательство стандартов, 2003. – 3 С.

94. ГОСТ 1579-93. Проволока. Метод испытания на перегиб. М.:

Стандартинформ, 2006. – 8 С.

95. Asfandiyarov, R.N. Features of the physico-mechanical behavior of UFG

low-alloyed bronze Cu-1Cr-0.08Zr produced by severe plastic deformation / D. A.

Aksenov, R. Asfandiyarov, G. I. Raab and G. B. Isyandavletova // IOP Conference

Series: Materials Science and Engineering. - 2017. – Vol. 179. DOI:10.1088/1757-

899X/179/1/012001

96. Осинцев, О.Е. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные

марки. Справочник. / О.Е. Осинцев, В.Н. Федоров. – М.: Машиностроение, 2004.

— 336 С.

97. Официальный сайт акционерной холдинговой компании

«ВНИИМЕТМАШ им. А.И. Целикова» [Электронный ресурс].

URL:www.vniimetmash.ru/produktsiya (дата посещения 02.08.2018).

98. Официальный сайт компании TUWICA [Электронный ресурс] / URL:

http://tuwica.ru/solutions/volochenie/volochilnyy-stan-dlya-kontaktnogo-provoda (дата

посещения 02.08.2018).

144

99. Asfandiyarov, R.N. Ultrasound effect on structure and properties of Cu–0.5Cr

under upsetting / T. Donic, G. Raab, D. Aksenov, R. Asfandiyarov, B. Hadzima //

Materials Science and Technology. – 2018. DOI: 10.1080/02670836.2018.1495414 IF:

1,803

100. Тюрин В.А. Разновидности процессов кузнечной протяжки // Кузнечно-

штамповочное производство. – 2009. -№9. –С. 5-8.

101. Охрименко Я.М. Повышение эффективности и качества работы в

кузнечном производстве // Кузнечно-штамповочное производство. – 2007. - №8. –

С. 1-7.

102. Алиев, И.С. Факторы, влияющие на параметры ковки крупных поковок

/ И.С. Алиев, Я.Г. Жбанков, А.В. Периг // Вестник Пермского национального

исследовательского политехнического университета. Машиностроение,

материаловедение. – 2013. – т. 15. – №1. – С. 27-45.

103. ГОСТ 18175-78. Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением.

Марки. Введ. 01.01.1979 - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 7 с.

104. Логинов, Ю.Н. Медь и деформируемые медные сплавы / Р.К. Логинов.

- Екатеринбург: УГТУ, 2006. - 136 с.

105. Male, A.T. A method for the termination of the coefficient of friction of

metals under conditions of bulk plastic deformation /A.T. Male // J. Inst. Metal. – 1964.

– Vol.93. – P. 38-46.

106. Новик, Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методами

планирования экспериментов. / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. - М.: Машиностроение;

София: Техника, 1980. - 304 с.

107. Хартман, К. Планирование эксперимента в исследовании

технологических процессов. Пер. с нем. / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. -

М.: Мир, 1977. - 552 с.

108. Тюрин, В.А. Методы планирования эксперимента. Математическое

планирование и обработка эксперимента первого порядка. / В.А. Тюрин. – М.:

МИСиС, 1979. – 78 с.

145

109. Гопенгауз, Б.Е. Организация эксперимента. / Б.Е. Гопенгауз. –

Электросталь: ЭПИ МИСиС ТУ, 2005. – 160 с.

110. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных

условий. / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1971. – 239

с.

111. Segal, V.M. Materials processing by simple shear / V.M. Segal //Materials

Science and Engineering A. – 1995. – Vol.197. – P. 157.

112. Raab, G.I. Advance ECAP techniques whit increased strain per pass / G.I.

Raab // Ultrafine Grained Materials IV. - 2006. – P. 177-181.

113. Valiev, R.Z. Principles of equal-channel angular pressing as a processing

tool for grain refinement/ R.Z. Valiev, T.G. Langdon // Progress in Material Science. -

2006. – Vol.51. – P. 881-981.

114. Рааб, Г.И. Моделирование процесса равноканального углового

прессования по схеме «Конформ» титановой длинномерной заготовки / Г.И. Рааб,

Ф.Ф. Сафин, Р.З. Валиев // Кузнечно–штамповочное производство. Обработка

материалов давлением. – 2006. - № 6. - С. 41.

115. Валиев, Р.З. Объемные наноструктурные металлические материалы:

получение, структура и свойства / Р.З. Валиев, И.В. Александров. - М.: ИКЦ

«Академкнига», 2007. – 398 с.

116. Рааб, Г.И. Перспективные методы ИПД для получения

наноструктурированных металлических материалов / Г.И. Рааб,

В.Г. Шибаков, А.Г. Рааб // Materials Physics and Mechanics, - 2016. – Vol. 25. – P.

77-82.

117. Маркушев, М.В. К вопросу об эффективности некоторых методов

интенсивной пластической деформации, предназначенных для получения

объемных наноструктурных материалов / М.В. Маркушев // Письма о

материалах. – 2011. – Т. 1. – С. 36–42.

118. Bridgman, P.W. Effects of High Shearing Stress Combined with High

Hydrostatic Pressure / P.W. Bridgman // Physical review. – 1935. – vol. 48. – p.825–

847.

146

119. Боткин, А.В. Интенсивная пластическая деформация выдавливанием,

совмещенным с равноканальным угловым прессованием в параллельных каналах /

А.В. Боткин, Р.З. Валиев, М.Ю. Мурашкин, Г.И. Рааб, Е.В. Бобрук, А.И. Назмиев,

А.А. Зенцов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов

давлением. – 2010. – №10. – С. 36-42.

120. Фаизов, И.А. Растворение частиц вторых фаз в низколегированном

медном сплаве системы Cu-Cr-Zr при обработке методом равноканального

углового прессования / И.А. Фаизов, Р.Р. Мулюков, Д.А. Аксенов,

С.Н. Фаизова, Н.В. Землякова, K.R. Cardoso, Y. Zeng // Письма о материалах.

- 2018. -Т. 8. - № 1 (29). – 110-114 С.

121. Фаизов, И.А. Растворение частиц вторых фаз сплава системы

Cu-Cr-Zr в условиях равноканального углового прессования / И.А. Фаизов,

Г.И. Рааб, С.Н. Фаизова, Д.А. Аксенов, Н.Г. Зарипов, Д.В. Гундеров,

О.В. Голубев // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и

технические науки. - 2016. - Т. 21. - № 3. - 1387-1391 С.

122. Фаизов, И.А. Роль фазовых превращений в эволюции дисперсных

частиц в хромовых бронзах при равноканальном угловом прессовании / И.А.

Фаизов, Г.И. Рааб, С.Н. Фаизова, Н.Г. Зарипов, Д.А. Аксенов // Письма о

материалах. - 2016. - Т. 6. - № 2 (22). - 132-137 С.

123. Chbihi, A. Influence of plastic deformation on the precipitation of Cr in

copper. / A. Chbihi, X. Sauvage, D. Blavette // Journal of Materials Science. –2014. –

V. 49 (18). DOI: 10.1007/s10853-014-8348-3.

124. Chbihi, A. Atomic scale investigation of Cr precipitation in copper. /

A. Chbihi, X. Sauvage, D. Blavette // Acta Mater. – V. 60. – p.4575-4585.

125. Mei, Z. Analysis of precipitation in a Cu–Cr–Zr alloy. / Z. Mei,

L. Guobiao, W. Zidong, Z. Maokui // China foundry. –2008. – V. 5(4).

126. Vinogradov, A. Effect of strain path on structure and mechanical behavior

of ultrafine grain Cu–Cr alloy produced by equal-channel angular pressing /

A. Vinogradov, T. Ishida, K. Kitagawa, V.I. Kopylov // Acta Materialia. –2005. –V. 53

–P. 2181–2192.

147

127. Islamgaliev, R. K. Structure, strength, and electric conductivity of a Cu-

Cr copper-based alloy subjected to severe plastic deformation / R. K. Islamgaliev,

K. M. Nesterov, R. Z. Valiev // The Physics of Metals and Metallography.

–2015. –V. 116. –P. 209–218.

128. Байнев, В.Ф. Экономика предприятия и организация производства:

Учеб. пособие / В. Ф. Байнев. Мн.: БГУ. – 2003. –191 С.

129. Васильев, Д.И. Основы проектирования деформирующего инструмента

/ Д.И. Васильев, М.А. Тылкин, Г.П. Тетерин. – М.: Высшая школа, 1984. – 224 с.

148

Приложение