РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Как известно, титановые сплавы по ряду особенностей (высокая удельная прочность, сопротивление усталости, вязкость разрушения и коррозионная стойкость) нашли широкое применение в авиакосмической технике, в том числе и в ребристых панелях. К изделиям такого рода предъявляют повышенные требования качества сварных соединений и размерной точности всей конструкции. Сварка плавлением титановых сплавов приводит к образованию неоднородностей зоны соединения и к снижению технологических и эксплуатационных характеристик изделия, геометрические размеры конструкции искажаются по причине возникновения сварочных напряжений, появляются поры и микротрещины в металле шва, снижаются механические характеристики и другие показатели. Все вышесказанное требует комплексного анализа технологического процесса изготовления титановых ребристых панелей: от изготовления полуфабрикатов до окончательной операции термической обработки готового изделия с позиции выявления наиболее весомых в отношении дефектности операций. Операции изготовления заготовок, в том числе подготовка их под сварку, режимы сварки и последующей термической обработки влияют на статическую и цикловую прочность сварных ребристых титановых панелей в зависимости от количества и суммарной площади дефектов сварного шва. В работе приведены исследования, результаты которых позволяют прогнозировать свойства и надежность сварных конструкций и добиваться идентичности свойств основного металла и металла шва с гарантией отсутствия как внутренних, так и наружных дефектов в зависимости от выбора комплекса технологических мероприятий. Показано, что сварка с определенной скоростью охлаждения в интервале температур фазового превращения, чистовое фрезерование, обкатка и очистка (обезжиривание и обезвоживание) поверхности стыкуемых кромок, низкий отжиг после сварки в воздушной атмосфере и последующее опескоструивание, газолазерный раскрой (ГЛР) в среде вспомогательного газа азота или аргона или комбинированных заготовок ГЛР и раскрой фрезерованием являются определяющими соответствие свойств и надежности сварных соединений основному металлу ребристых панелей из сплава ВТ20.
Калиброванный металл представлен как эффективный вид заготовок для ряда металлообрабатывающих технологий. Более широкому его использованию в промышленности препятствуют остаточные напряжения, формирующиеся в процессе холодного деформирования. Целью настоящего исследования явилось определение основных параметров калибровки, влияющих на формирование остаточных напряжений. Главные компоненты тензора остаточных напряжений в калиброванных прутках определены по методу обтачивания и растачивания одного цилиндра. Для выявления влияния основных параметров процесса калибровки на остаточное напряженное состояние использована методика планирования многофакторных экспериментов. Для учета одновременного влияния на остаточные напряжения величины относительного обжатия, угла рабочего конуса волоки, скорости калибровки, качества смазки был спланирован и реализован дробный четырехфакторный эксперимент. Из проведенных опытов выявлено, что параметры процесса калибровки существенно влияют на остаточные напряжения, которые изменяются не только по величине, но и по знаку. Результаты экспериментов показали, что в диапазоне углов волоки от 8 до 24° тангенциальные и осевые остаточные напряжения одновременно увеличивается: возрастают в 2,3 раза, а σφmax – в 1,8 раза. С увеличением длины калибрующей зоны максимальные осевые остаточные напряжения растяжения снижаются на 52 %, а тангенциальные увеличиваются на 21 %. Установлено влияние основных параметров процесса калибровки на величину и характер распределения по сечению цилиндрических прутков осевых, тангенциальных и радиальных остаточных напряжений. Смена знака остаточных напряжений зависит от параметров деформирования и происходит на глубине (0,5 – 0,8)r/R. Выявлено, что при режимах калибровки, которые используют на производстве, в периферийных слоях прутков при холодной обработке давлением формируются осевые и тангенциальные остаточные напряжения растяжения, а в центральных слоях – напряжения сжатия. Радиальные остаточные напряжения на поверхности равны нулю, а в остальном объеме тела остаточные напряжения – сжимающие.
ИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХ
ЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
С применением программного комплекса HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu) проведены термодинамические расчеты по изучению влияния кремния (0,1 – 0,8 %), алюминия (0,005 %) и углерода (0,1 %), содержащихся в металле, на процесс восстановления бора из шлака основностью 5 в диапазоне температур 1400 – 1700 °С. Эксперименты по межфазному распределению бора между шлаком системы СаО – SiО2 – MgO – Al2O3 – B2O3 и металлом проводили в высокотемпературной печи электросопротивления Таммана. Использовали низкоуглеродистую сталь с различным содержанием кремния. Результаты термодинамического моделирования и экспериментальные данные показали принципиальную возможность осуществления прямого микролегирования стали бором за счет его восстановления кремнием, присутствующим в металле. Теоретически обоснован и экспериментально изучен процесс восстановления бора кремнием из шлака. Полученные при термодинамическом моделировании результаты свидетельствуют о термодинамической возможности восстановления бора из оксидной системы СаО – SiО2 – MgO – Al2O3 – B2O3 кремнием несмотря на его низкую (0,1 – 0,8 %) концентрацию в металле. При этом увеличение исходного содержания кремния в стали приводит к повышению концентрации восстановленного бора в металле. Приведены результаты, характеризующие влияние содержания кремния и температуры металла на содержание бора в стали. Показано, что выдержка металла под шлаком, содержащим 4,3 % B2O3 , сопровождается восстановлением бора. Основным восстановителем бора является кремний, содержание которого в металле после опыта снижается на 15 – 22 %. При этом в образце стали с повышенной концентрацией кремния содержится большее количество бора. Коэффициент усвоения бора составил от 5,8 до 6,9 %, что принципиально коррелирует с результатами термодинамического моделирования. Концентрацию бора в металле можно регулировать изменением температуры процесса и изменением содержания в стали кремния. Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологии процесса прямого микролегирования стали бором.
Бинарные жидкометаллические термодинамические системы с сильными отрицательными отклонениями от закона Рауля могут быть удовлетворительно описаны в рамках модели идеальных ассоциированных растворов при участии ассоциатов трех типов: Ар В, АВ и АВq , где А и В – компоненты раствора; р и q – стехиометрические коэффициенты, численно равные 2, 3 или 4. Ассоциаты более сложного типа, в частности типа Ар Вq , в растворе не образуются. При этом, согласно правилу фаз ассоциированного раствора, число типов ассоциатов в каждой точке бинарного раствора не должно превышать двух. Поскольку ассоциаты Ар В и АВq химически взаимодействуют с образованием ассоциата АВ, то в полной термодинамической системе можно условно выделить подсистему, содержащую только ассоциаты Ар В, АВ и подсистему, содержащую только ассоциаты АВ, АВq . Этот прием позволяет в каждой из подсистем определять и выражать в явном аналитическом виде концентрации и термодинамические свойства предполагаемых ассоциатов. Проверка полученных результатов осуществляется путем численного решения системы исходных балансовых уравнений с заданием вычисленных термодинамических параметров. «Сращивание» двух раздельных решений на стыке подсистем осуществляется с помощью ранее предложенных специальных функций, имитирующих диффузионное выравнивание перепадов концентраций ассоциатов в этой неравновесной области. Идентификация ассоциатов реальных растворов по данной методике может считаться достоверной и не требующей каких-либо подгоночных параметров, если вычисленные свободные энергии образования ассоциатов будут близки справочным значениям свободных энергий соответствующих интерметаллидов. Например, в процессе анализа экспериментальных данных по активностям компонентов в системе Ni – Al при 1600 °С для идентифицированных ассоциатов Ni3Al, NiAl и NiAl3 были определены энергии образования 129,6, 93,1 и 124,2 кДж/моль соответственно. Это близко к средним значениям энергий образования соответствующих интерметаллидов, приведенным в современных базах данных, то есть 130,1, 92,5 и 126,0 кДж/моль соответственно. Аналогичный анализ был выполнен также для семи бинарных систем с алюминием, в том числе для систем, содержащих лишь один или два типа ассоциатов. Абсолютная погрешность аппроксимации изотерм активностей компонентов растворов по данному методу составила 0,001 – 0,035.
НАУКА ПРОИЗВОДСТВУ
Для создания современного механического оборудования требуются новые конструкционные материалы с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками, которых нельзя достичь традиционными методами. Перспективы развития технологий формоизменения сталей во многом связаны с использованием внешних энергетических воздействий, в частности, мощных токовых импульсов, формируемых генераторами мощных однополярных импульсов тока амплитудой до 10 – 15 кА, частотой воспроизведения до 400 Гц и длительностью импульса до 100 мкс. Недостатками таких генераторов, препятствующими их широкому применению в промышленности, являются низкий КПД и значительное потребление электроэнергии из сети переменного тока, а также невозможность регулирования энергосиловых параметров. В работе приведено описание лишенного вышеуказанных недостатков генератора мощных однополярных импульсов, содержащего зарядное устройство, подключенное к силовым конденсаторам, и тиристорный ключ, разряжающий конденсаторы на низкоомную нагрузку. С целью снижения мощности, потребляемой из сети, в схему генератора введено устройство перезаряда на тиристоре, подключенном встречно-параллельно тиристорному ключу. Для реализации возможности регулирования амплитуды импульса и увеличения его мощности вместо нерегулируемого источника постоянного тока в зарядном устройстве используются два нереверсивных, включенных последовательно и однонаправленно тиристорных преобразователя, которые позволяют получать регулируемое напряжение на силовых конденсаторах. С целью оптимизации процесса заряда конденсаторов выполнена двухконтурная система подчиненного регулирования параметров генератора импульсов с внешним контуром регулирования напряжения и внутренним контуром регулирования тока заряда конденсаторов. Выполнена модель предложенного генератора в среде «Матлаб, Симулинк». Модель адекватна реальному генератору импульсов, используемому в СибГИУ для исследования электростимулированной пластической деформации металлов и сплавов. Разработанная модель позволила улучшить технические характеристики и режимы работы устройства. Преимуществом модернизированного генератора по сравнению с аналогами является значительное снижение мощности, потребляемой из сети, а также возможность регулирования напряжения заряда конденсаторов до 600 В в диапазоне частот воспроизведения импульса до 400 Гц. Генератор можно использовать в промышленных целях, в частности, в прокатном производстве для волочения проволоки из труднодеформируемых сталей.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
ISSN 2410-2091 (Online)