Глава шестая: Когда стальная проволока становится тоньше, изменяется и состояние материала
На участке холодной высадки часто встречается следующая ситуация:
Марка материала одна и та же, сталелитейный завод тоже, в конечном счёте получаем одинаковый диаметр, однако при подаче в станок холодной высадки одни партии проходят производство без проблем, а другие демонстрируют нестабильность формообразования, недозаполнение головки заготовки и даже редкие случаи растрескивания.
В чём же кроется причина?
Многие полагают, что процесс волочения заключается лишь в уменьшении толщины стальной проволоки до требуемого размера — этого якобы достаточно.
На самом деле всё гораздо сложнее.
Волочение меняет не только диаметр, но и последующую технологичность материала при высадке.
1. Одна и та же конечная точка не означает одинакового пути
Даже если обе партии доводятся до 10 мм, одна может начинаться с 11 мм, тогда как другая — с 13 мм.
Несмотря на одинаковый конечный диаметр, вторая партия претерпевает значительно большую деформацию.
Чем сильнее проволока вытягивается, тем обычно она становится более жёсткой и прочной; соответственно, при дальнейшей холодной высадке потребуется уже иная усилие формообразования.
Поэтому для оценки технологичности материала недостаточно ориентироваться только на его окончательный размер — необходимо учитывать также:
Какой толщины он был изначально и насколько всего его вытянули.
Это похоже на то, как двое людей одновременно достигают вершины: один поднялся на фуникулёре, другой — пешком. Хотя они стоят на одной и той же высоте, их физическое состояние совершенно различно.
2. Результаты отличаются, если проволоку сильно утоньшают за один проход или делают это в несколько этапов
Проволоку можно сразу снизить её диаметр от крупного до мелкого размера за один проход либо поэтапно, в несколько шагов.
При одномоментном значительном утончении возрастает давление между проволокой и матрицей, увеличиваются трение и температура, а поверхностные и внутренние изменения материала могут оказаться несогласованными.
Однако слишком большое количество проходов тоже не всегда благоприятно.
Слишком много циклов волочения также накапливает трение и последствия деформации.
Крайне важно правильно распределить нагрузку на каждый этап, особенно — определить, насколько адекватен последний проход волочения.
Важно не только сколько всего проволоку вытягивают, но и то, каким образом завершают этот процесс.
Именно поэтому различные перерабатывающие предприятия, используя одну и ту же катанку, в итоге получают материалы, которые по-разному ведут себя при холодной высадке.
III. Стальная проволока тоже «запоминает» направление приложения нагрузки
При волочении стальной провод, главным образом, растягивается в продольном направлении.
При холодной высадке материал, напротив, подвергается сжатию и начинает течь как к головке, так и в боковые стороны.
То есть материал сначала испытывает растяжение, а затем сразу же подвергается сжатию.
Когда металл деформируется в одном направлении, а затем нагружается в противоположном, его начальные условия начала деформации могут измениться. В инженерной практике это явление называют эффектом Башингера.
Проще говоря:
Стальная проволока запоминает, как именно он был растянут ранее.
После волочения предел прочности материала на разрыв повышается, однако это не означает, что его сопротивление деформации при сжатии в процессе холодной высадки также возрастёт пропорционально.
Поэтому для оценки состояния материала после волочения недостаточно учитывать только предел прочности и твёрдость — необходимо учитывать, в каком направлении материал будет далее деформироваться.
IV. «Упрочнение» и «память направления» после волочения существуют одновременно
После волочения материал обычно становится более твёрдым; это явление называется техническим упрочнением.
Однако при переходе от растяжения к сжатию материал подвергается влиянию эффекта Башингера.
Эти два фактора действуют одновременно:
- чем сильнее деформация при волочении, тем, как правило, выше сопротивление дальнейшей деформации;
- при изменении направления приложения нагрузки материал может раньше начать сжиматься и деформироваться.
Какой из этих эффектов проявляется ярче на начальном этапе, а какой становится доминирующим при последующей деформации, зависит от марки материала, его исходного состояния и степени деформации при волочении.
Следовательно, нельзя просто утверждать: «чем меньше волочение, тем лучше», равно как и «используя эффект Башингера, чем больше волочение, тем лучше». На самом деле необходим определённый оптимальный диапазон параметров.
Однако этот диапазон не одинаков для всех марок, всех типоразмеров и всех изделий.
V. Почему бейнитные стали без закалки и отпуска заслуживают особого внимания?
У некоторых бейнитных и высокопрочных немодифицированных сталей эффект Башингера особенно заметен при переходе от растяжения после волочения к сжатию в процессе холодной высадки.
Сами по себе такие материалы обладают высокой прочностью. После волочения их предел прочности на разрыв продолжает расти, но сопротивление сжатию при холодной высадке не всегда увеличивается пропорционально.
Это делает бейнитные стали без закалки и отпуска особенно перспективными для холодного упрочнения и формообразования методом холодной высадки.
Поэтому при оценке таких материалов недостаточно ориентироваться лишь на предел прочности и твёрдость после волочения; необходимо комплексно анализировать степень деформации при волочении, сроки производства и реальное поведение материала при холодной высадке.
VI. Почему свойства материала могут изменяться после некоторого времени хранения?
Иногда, если материал используется сразу после волочения, производство проходит без проблем; однако спустя некоторое время при повторном использовании его характеристики уже меняются.
Причина заключается в том, что после завершения процесса волочения внутреннее состояние проволоки не всегда мгновенно стабилизируется.
С течением времени и под воздействием температуры прочность материала, а также его последующее поведение при деформации могут продолжать изменяться.
Поэтому при сравнении двух партий материалов необходимо, помимо марки и результатов испытаний, учитывать следующее:
- когда была выполнена операция волочения для каждой из партий;
- сколько времени материалы хранились после волочения;
- существуют ли заметные различия в условиях их хранения.
Эта информация, хотя и кажется тривиальной, порой становится важным ориентиром для выявления причин возникших проблем.
VII. На что следует обращать внимание при возникновении проблем?
Если материалы одной марки и одного диаметра по-разному ведут себя при холодной высадке, рекомендуется сначала сравнить следующие параметры:
- исходный диаметр перед волочением;
- конечный диаметр после волочения;
- количество этапов волочения;
- величину обжатия на последнем этапе волочения;
- оборудование и сроки переработки обеих партий;
- время хранения после волочения для каждой партии;
- соответствует ли аномалия при холодной высадке конкретной партии переработки.
Если после смены партии переработки аномалии также меняются, тогда как оборудование, пресс-формы и продукция остаются неизменными, необходимо прежде всего внимательно изучить процесс волочения обеих партий.
Однако одно лишь обнаружение различий в технологических параметрах ещё не позволяет сделать окончательный вывод.
Для точной оценки необходимо установить, соответствуют ли изменения в процессе волочения изменениям в механических свойствах материала и возникающим при холодной высадке аномалиям.
Мнение инженера
Волочение — это не просто преобразование проволоки из более толстого диаметра в более тонкий.
Оно также влияет на прочностные характеристики материала, его способность к дальнейшей деформации, а также на реакцию материала при переходе от растяжения к сжатию.
Сырьё определяет базовые характеристики, а процесс волочения — то, в каком состоянии материал поступит в станок холодной высадки.
Таким образом, даже материалы одной марки и одного диаметра, одни из которых хорошо поддаются высадке, а другие — нет, могут отличаться не только по сертификату качества, но и вследствие особенностей процесса волочения.
Если вы столкнулись с ситуацией, когда материалы одной марки и одного диаметра по-разному ведут себя при холодной высадке, пожалуйста, пришлите мне информацию о марке материала, диаметрах до и после волочения, количестве этапов волочения, датах производства и фотографии дефектных изделий.
Я помогу вам определить, с чего начать поиск причины: с сырья, процесса волочения и переработки или же с технологии холодной высадки.
Анонс следующего выпуска
Глава VII: «Почему, несмотря на видимую фосфатно-мыльную смазку на поверхности, всё равно возникают проблемы при холодной высадке?»
В следующей главе мы подробно рассмотрим, почему наличие «видимой плёнки» на поверхности материала ещё не гарантирует достаточной смазки и защиты во время процесса холодной высадки.