Проволока из оловянно-цинковой бронзы броц4-3

Полезная модель относится к сфере цветной металлургии, а именно - к производству проволоки диаметром 0,1-8,0 мм, выполненной из оловянно-цинковой бронзы БрОЦ4-3 и предназначенной для изготовления упругих элементов в ответственных электрических разъемах. Задачей технического решения является достижение следующих значений механических свойств проволоки в зависимости от диаметра: предел прочности 844-961 МПа, относительное удлинение 1,4-2,5%, кроме того, проволока в полной мере должна выдерживать испытание на навивание согласно стандарту РФ. Задача решается тем, что проволоку подвергают термодеформационной обработке по режиму: перед каждыми не менее, чем тремя последними проходами волочения проводят низкотемпературный отжиг при 220-240°С и выдержке 0,75-1,0 ч, причем каждый из трех последних проходов волочения осуществляют с частными относительными обжатиями в интервале 20-31%. Проведение термодеформационной обработки проволоки из бронзы БрОЦ4-3 по разработанному и проверенному на промышленных партиях регламенту обеспечивает удовлетворение жестких требований стандарта по механическим свойствам и по испытанию на навивание, что позволяет успешно использовать проволоку по указанному назначению.

Полезная модель относится к сфере цветной металлургии, а именно - к производству проволоки диаметром 0,1-8,0 мм, выполненной из оловянно-цинковой бронзы БрОЦ4-3 и предназначенной для изготовления упругих элементов в ответственных электрических разъемах.

Из уровня техники известно, что предприятиями цветметобработки изделия из бронзы БрОЦ4-3 (ее химсостав приведен в марочном ГОСТ 5017-74 [1]) выпускаются в виде прутков, полос, лент и проволоки, применяемых в электротехнике, приборостроении и машиностроении, в том числе химическом [2, 6]. К этим изделиям предъявляются довольно жесткие требования по прочности, уровень которой, например для проволоки, обеспечивают многократным волочением без смягчающих промежуточных отжигов с накоплением значительной величины суммарного относительного обжатия , рассчитываемого по формуле =[(F_о-F_к)/F _о]×100%, где F_o и F _к - соответственно площадь поперечного сечения заготовки и готовой проволоки конечного диаметра.

Согласно [3, рис.245] для образцов из бронзы БрОЦ4-3 продеформированных с =45-50%, а также в соответствии с [4, табл.2.20.11] для бронзы CuSn4Zn3 при =45-50% получены (с использованием аппроксимирующей формулы) значения предела прочности _в=580-590 МПа, которые не удовлетворяют требованиям нормативного документа [5] в случае применения проволоки для изготовления упругих элементов в ответственных электрических разъемах. Из информации, приведенной в [2, с.184-186] следует, что холоднодеформированные изделия имеют в особотвердом состоянии _в687 МПа, а максимально возможные значения _в, полученные при =60-70%, находятся в пределах 638-765 МПа, что для наиболее широко употребляемых диаметров проволоки также не соответствует уровню требований, предъявляемых к упомянутым ответственным изделиям.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели выбрана круглая проволоки диаметром 0,1-8,0 мм, изготавливаемая согласно ГОСТ 5221-77 [5] и имеющая следующие механические свойства в зависимости от диаметра [5, табл.3]: предел прочности _в814-883 МПа; относительное удлинение 0,5-1,0%; кроме того, проволока, предназначенная для изготовления упругих элементов, должна выдерживать испытание на навивание [5, с.5, п.2.9].

Для получения таких высоких значений _в максимального относительного обжатия, равного 70%, явно недостаточно, т.к. при =70% согласно [2, рис.226] _в765 МПа. На основании многолетних практических данных заявителя достижение величин предела прочности, отвечающих техническим требованиям стандарта [5], возможно, если сообщить проволоке суммарное относительное обжатие на уровне не менее 88-92%. Однако с учетом интегрированной заявителем информации при достижении значений _в785 МПа пластические свойства металла снижаются настолько, что 4/5 объема промышленных партий проволоки наиболее употребляемых диаметров 1,8-8,0 мм не выдерживает испытание на навивание, несмотря на удовлетворяющие стандарту значения относительного удлинения . В то же время, при необходимости достижения для проволоки диам.2,5 мм согласно [5] _в834 МПа, в производстве заявителя его получали не для всех бунтов проволоки, причем для минимального диаметра указанного диапазона суммарное относительное обжатие при волочении без отжигов достигало 94%. И хотя при этих деформационных условиях соответствовало стандарту, это не гарантировало положительного результата при испытании на навивание. Таким образом, противоречивость положения очевидна: с одной стороны, достижение максимальных значений предела прочности необходимо обеспечить путем холодного деформационного упрочнения с высокими суммарными относительными обжатиями, а с другой стороны, максимальные степени холодной деформации порождают снижение пластических свойств металла до такого уровня, что проволока не выдерживает испытание на навивание. Дополнительным свидетельством перенагартовки металла являлось хрупкое (то есть без образования шейки) разрушение образцов при испытании на растяжение. Ситуация усложняется тем, что в условиях действующих производств практически повсеместно заготовка под волочение имеет известные недостатки как литейного происхождения (ликвация легирующих, рыхлость металла, разнозернистость), так и свойственные горячекатаной заготовке, в данном случае - катанке (вкатанная окалина, закаты и другие поверхностные дефекты). Если последние практически полностью устраняются в результате скальпирования катанки, проводимого одновременно с грубым волочением, то наследственность литейных дефектов может негативно отразиться на готовой продукции, что в известной мере имело место при испытании проволоки на навивание.

В отношении режима низкотемпературного отжига изделий из бронзы БрОЦ4-3 известны следующие рекомендации:

- согласно [6, табл.3.4], «Температура отжига для уменьшения напряжений» (вероятно, остаточных - примечание заявителя) равна 250-260°С, причем длительность выдержки при этой температуре в [6] не приведена;

- согласно [2, с.184], низкотемпературный отжиг для повышения упругих характеристик после холодной деформации проводится при температуре 250°С и выдержке 1 час.

Из приведенной в [6, табл.3.4] и [2, рис.227] информации следует, что низкотемпературный отжиг в известных технических решениях проводят либо с целью снижения уровня остаточных напряжений, либо с целью повышения упругих характеристик и пластических свойств готовых полуфабрикатов. Действительно, применением низкотемпературного отжига по указанному режиму можно снизить уровень остаточных напряжений и ощутимо повысить такую характеристику пластичности, как относительное удлинение, - на 1-6%, однако при этом одновременно произойдет, как следует из [2, рис.227], снижение _в от исходного состояния, причем на весьма значительную величину - от 40 до 220 МПа, что является крайне нежелательным с учетом высоких требований к проволоке по пределу прочности.

Из всего изложенного следует вывод, что, используя известные из уровня техники и технологии приемы деформационной и термической обработки изделий из бронзы БрОЦ4-3, получить надлежащие значения предела прочности и относительного удлинения проволоки диам.0,1-8,0 мм при условии выдерживания ею испытания на навивание, не представляется возможным.

Задачей предлагаемого технического решения является достижение следующих значений механических свойств проволоки диаметром 0,1-8,0 мм из бронзы БрОЦ4-3 в зависимости от диаметра: предел прочности 844-961 МПа, относительное удлинение 1,4-2,5%, кроме того, проволока полностью выдерживает испытание на навивание.

Поставленная задача решается тем, что проволоку подвергают термодеформационной обработке по следующему режиму: перед каждыми не менее, чем тремя последними проходами волочения проводят низкотемпературный отжиг при температуре 220-240°С и выдержке 0,75-1,0 ч, причем каждый из трех последних проходов многократного волочения осуществляют с частными относительными обжатиями в интервале 20-31%.

Лабораторно-производственными исследованиями, проведенными заявителем по различным известным температурно-деформационным режимам обработки проволоки, установлено: полученные значения _в и вполне удовлетворяют требованиям стандарта, однако результаты испытаний большинства промышленных партий проволоки на навивание - отрицательные, что резко снижает такой экономический показатель, как выход годного, приводя к серьезным материальным потерям. В связи с этим в производстве заявителя была проведена соответствующая НИР по исследованию вариантов термодеформационной обработки (ТДО) полуфабрикатов в виде проволоки из бронзы БрОЦ4-3; суть работы в кратком изложении приведена ниже.

1. Опытная проверка по использованию многократного междеформационного отжига по известным режимам для проволоки диам.2,5 мм показала некоторое улучшение ситуации с испытанием на навивание, однако величина _в многих бунтов проволоки оказалась сниженной и не соответствовала требованиям стандарта.

2. Эти не удовлетворяющие ГОСТу бунты проволоки диам.2,5 мм решили использовать как промежуточную заготовку, подвергнув ее волочению на проволоку диам.2,2 мм (=22,6%) и диам.2,0 мм (=36%), из которой до 70% от объема партий удовлетворяло стандарту по всем показателям, в том числе по испытанию на навивание.

3. С учетом полученного положительного результата в шестипроходный маршрут волочения проволоки диам.2,5 мм перед каждым проходом был введен низкотемпературный отжиг по режиму: температура 220-240°С, выдержка 0,75-1,0 час. В итоге все подвергнутые ТДО опытные бунты проволоки в полной мере удовлетворяли техническим требованиям ГОСТа, включая испытание на навивание.

4. С целью уменьшения энергоемкости опробованного технологического регламента термодеформационной обработки количество междеформационных отжигов (не только для указанного, но и для других диаметров проволоки) постепенно снижали и, проводя необходимые измерения показателей готовой проволоки различных диаметров, пришли к выводу, что количество отжигов следует ограничить тремя, т.к. при меньшем их числе достижение всех стандартизованных показателей не гарантировано.

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

Обоснование нижнего предела температуры низкотемпературного отжига, равного 220°С, заключается в том, что ниже 220°С (это показали собственные исследования) не достигается даже частичная релаксация наведенных в металле остаточных растягивающих напряжений, ответственных за проблему с испытаниями. Назначенный на основании опытов верхний предел, равный 240°С, установлен как достаточный для

компенсации потери пластичности; кроме того, при температуре 240°С крайне незначительно снижение уровня прочности, необходимого для достижения его нормированных значений по ГОСТу для готовой проволоки.

С целью надежного и стабильного прохождения описываемых процессов частичного разупрочнения опытным путем была установлена минимальная длительность выдержки при низкотемпературном отжиге, равная 0,75 ч. Верхний предел длительности выдержки, равный 1,0 ч, продиктован, с одной стороны, необходимостью обеспечения надежного и равномерного прогрева всей садки металла, а с другой стороны, стремлением снизить энергозатраты и организовать экономически оправданную технологическую схему, которую, как представляется, удалось реализовать в достаточной мере.

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

- при волочении с относительным обжатием менее 20% - к недостижению гарантированных значений предела прочности готовой проволоки во всем диапазоне ее диаметров;

- при волочении с относительным обжатием более 31% - к снижению стабильности процесса волочения проволоки, накопившей к концу маршрута многоразового волочения весьма высокую суммарную степень деформации (в предельном случае =97%), порождающую настолько серьезное упрочнение металла, что даже с учетом проведенных трех циклов низкотемпературного отжига возрастает вероятность обрывов переднего конца вследствие снижения коэффициентов запаса прочности ниже установленных допустимых пределов: [к₁]=_в1/p_в2,0-2,5; [к₂]=_s1/p_в1,5-2,0,

где: _в1 и _s1 - соответственно предел. прочности и сопротивление деформации проволоки после конкретного прохода волочения с учетом накопленной степени деформации ; _в1 и _s1 определяют, например, по [2, 3, 4 и др.].

p_в - напряжение волочения, рассчитываемое по одной из многочисленных формул, например, по формуле И.Л.Перлина [7].

Таким образом, проведение ТДО проволоки из бронзы БрОЦ4-3 по разработанному и проведенному регламенту обеспечивает достижение приведенных в формуле полезной модели значений предела прочности и относительного удлинения; проволока в полной мере выдерживает испытание на навивание. Дополнительно следует отметить, что высокая эффективность режимов ТДО подтверждается тем, что часть бунтов промышленных партий проволоки (до 6-7%) имеет _в=980-1060 МПа, а отдельные бунты - даже 1080 МПа, при положительном результате испытания на навивание.

В качестве примера конкретной реализации в производственных условиях предлагаемого технического решения далее кратко изложен технологический цикл производства проволоки диам.2,5 мм из бронзы БрОЦ4-3.

На горизонтальном гидравлическом прессе усилием 35МН из мерных заготовок диам.190 и длиной 360 мм, полученных резкой слитка полунепрерывного литья, при температуре 800±20°С прессуют через одноканальную матрицу промежуточную заготовку квадратного поперечного сечения с размерами 75×75 мм, которую после нагрева в методической печи до температуры 820°С прокатывают на линейном мелкосортно-проволочном стане 300 до диам.11,5 мм и сматывают в бунты. Далее прокатанную заготовку подвергают травлению в 5-15% растворе серной кислоты в течение 20 минут и последующему волочению с одновременным скальпированием до диам.10,5 мм на однократной волочильной машине ВСГ 1/720, после чего отжигают при 750-780°С и вновь травят в кислоте. Последующее волочение по маршруту, мм: 10,5-8,5-7,5-6,5-5,7-5-4,5-4,0 проводят без отжигов. Перед каждым из трех последних проходов волочения, включая чистовой, до диаметров, мм: 3,5-3,0-2,5 соответственно, проводят низкотемпературный отжиг бунтов по режиму: температура 220-240°С, время выдержки (после достижения заданной температуры) 0,75-1,0 ч, то есть параметры низкотемпературного отжига в точности соответствуют технологическому режиму, обеспечивающему решение технической задачи заявляемой полезной модели. Относительные обжатия в трех последних проходах маршрута волочения составляют соответственно 23,4%; 26,5; 30,5%, следовательно, их значения находятся в пределах, установленных предлагаемым техническим решением (20-31%); при этом величины суммарных относительных обжатий при волочении для трех последних проходов составили соответственно, %: 88,9; 91,8; 94,3.

Параметры полученной по предлагаемой полезной модели проволоки диам.2,5 мм полностью отвечают требованиям ГОСТ 5221-77, а именно: _в=912-961 МПа (по ГОСТ _в883 МПа), =1,4-2,5% (по ГОСТ 0,5%); испытание на навивание выдержали все без исключения бунты проволоки.

Проволока из оловянно-цинковой бронзы БрОЦ4-3 диаметром от 0,1 до 8,0 мм, имеющая в холоднотянутом состоянии в зависимости от диаметра предел прочности не менее 844-961 МПа, относительное удлинение 1,4-2,5% и полностью выдерживающая испытание на навивание, подверженная дополнительной термодеформационной обработке, включающей низкотемпературный отжиг при температуре 220-240°С и выдержке 0,75-1,0 ч, проводимой перед каждыми не менее чем тремя последними проходами волочения, причем каждый из трех последних проходов многократного волочения осуществляют с частными относительными обжатиями в интервале 20-31%.