1. Введение

Разработка технологий производства длинномерных деформированных полуфабрикатов для ювелирных изделий из новых сплавов драгоценных металлов, отвечающих европейским требованиям, является актуальной задачей в условиях высокой конкуренции и изменения конъюнктуры на внутреннем и международном рынках. Одним из ключевых производителем ювелирных изделий в России является Красноярский завод цветных металлов им. В. Н. Гулидова (ОАО «Красцветмет»), а самым востребованным на рынке видом изделий являются ювелирные цепочки из драгоценных металлов и их сплавов. Исследования проводили для условий этого предприятия, используя типовую технологию для производства проволоки ювелирного назначения из сплавов на основе палладия и характеристики аналогичного оборудования для ее производства, установленного на этом заводе [1].

Существующая схема технологии производства проволоки для ювелирных цепей включает в себя процессы литья, обработки металлов давлением, термообработки (рис. 1) и финишные операции [2], [3], [4], [6].

Для этих изделий технологией предусмотрено на первом этапе получение из слитка кованого прутка размерами 15х15 мм, из которого затем на следующих этапах обработки производят длинномерные полуфабрикаты в виде прутков и проволоки с промежуточными отжигами. Сортовой прокаткой в два этапа за 8 и 37 проходов получают пруток сечением 1,05х1,05. А затем из него на волочильном стане со скольжением за 10 переходов изготавливают проволоку диаметром 0,3 мм. Данную проволоку планируется использовать для производства ювелирных цепей на действующем производстве ОАО «Красцветмет».

Анализ действующей технологии показал, что она имеет ряд недостатков связанных с неэффективным режимом обжатий, которые приводят к разрушению металлавследствие его быстрого упрочнения, увеличению энергосиловой загрузки оборудования. Это, в конечном счете, приводит к снижению качества продукции и увеличению ее стоимости, поэтому требуют совершенствования маршрутов обработки металла.

Таким образом, целью исследований было совершенствование технологии получения проволоки из сплавов палладия путем разработки режимов деформации для нового сплава палладия и их моделирования.

2. Материалы, оборудование и методы исследования

Первым этапом представленного исследования являлась разработка нового сплава на основе палладия пробы [7]. Химический состав нового сплава представлен в табл. 1.

При проведении исследований применяли общепринятые методы металлографического анализа и теории обработки металлов давлением. Для определения механических свойств литых, кованых и прокатанных образцов измерения велись в соответствии с ГОСТ 1497-84 [8] и ГОСТ 10446-80 [9] с использованием универсальной машины LFM 400 kN. Для измерения механических свойств проволоки малых диаметров применяли универсальную машину Inspect table 5 kN (Германия).

Для определения деформационных и силовых параметров операций обработки давлением использовали традиционные методики их расчета [1] и авторское программное обеспечение [10].

Для расчета энергосиловых параметров операций сортовой прокатки и волочения использовали эмпирическую зависимость временного сопротивления σв от суммарной степени обжатия ε∑, полученную по результатам замеров механических свойств и имеющую вид:

Металлографический анализ структуры получаемых полуфабрикатов проводили на световом микроскопе Axio Observer.A1m, Carl Zeiss и растровом электронном сканирующем микроскопе «EVO 50», Carl Zeiss с энергодисперсионным микроанализатором Inca Energy 350.

В качестве оборудования для экспериментальных исследований процессов сортовой прокатки и волочения применяли сортопрокатный стан AF 200+180R и волочильный стан 10 NFS TRONIC фирмы «Марио ди Майо» [1], установленные в лаборатории кафедры «Обработка металлов давлением» института цветных металлов Сибирского федерального университета.

3. Полученные результаты и их обсуждение

В результате проведенного анализа применяемых на заводе маршрутов (рис. 2) было выявлено, что при прокатке по причине неравномерного распределения обжатий (рис. 2, а) полуфабрикаты из сплавов на основе палладия проявляют высокую склонность к деформационному упрочнению, что ведет к повышению энергосиловой загрузки оборудования и вероятности возникновения брака в виде трещин при прокатке. Такое же неравномерное (скачкообразное) распределение обжатий при волочении (рис. 2, б) приводит к обрывам проволоки в тех переходах, где их значения максимальны (переходы 1, 5 и 10).

На основании проведенного анализа действующей технологии с использованием программы PROVOL [10] предложено перераспределить единичные обжатия на первом этапе сортовой прокатки прутков в этих проходах и за 8 проходов получать пруток размерами 9,0х9,0 мм (табл. 2). Результаты расчета параметров процесса прокатки на сортовых станах по предложенному режиму обжатий силы прокатки показали, что ограничения по допустимой силе прокатки для применяемого оборудования выполняются во всех проходах.

Для подтверждения полученных результатов проведено компьютерное моделирование режимов сортовой прокатки прутка из исследуемого сплава палладия, которое проводили в программе DEFORM-3D [11]. Его результаты позволили оптимизировать маршрут обработки полуфабрикатов из нового сплава путем анализа напряженно-деформированного состояния заготовки с прогнозированием вероятности ее разрушения.

Модель включала построенные в среде SolidWorks [12] заготовку, рабочий инструмент (рис. 4) и задаваемые для них в препроцессоре DEFORM-3D. Граничные условия задавались в соответствии с особенностями используемой технологии холодной прокатки. Моделирование процесса сортовой прокатки прутков из нового сплава палладия 850 пробы позволило проанализировать предлагаемый маршрут обработки с учетом требований к свойствам материала и калибровки валков. На основании результатов расчета в постпроцессоре DEFORM-3D проведен анализ работы модели по ряду ключевых характеристик, включая визуализацию объекта моделирования и отображение параметров напряженно-деформированного состояния заготовки на сохраненных шагах расчета.

На рис. 4 представлена визуализация напряженно-деформированного состояния заготовки при прокатке в различных проходах. Анализ значений критерия разрушения Кокрофта-Латама по поверхности и в сечениях заготовки в рассматриваемых проходах позволяет заключить, что металл обладает достаточным запасом пластичности на большей части маршрута без использования промежуточной термообработки. Как видно из гистограмм, после 2-го прохода средняя степень поврежденности металла не превышает 0,14, к окончанию 5-го возрастает до 0,32, а на 8-м — до 0,53.

Последние проходы прокатки характеризуются локальными зонами концентрации напряжений на формируемых калибрами гранях прутка, что приводит к возрастанию значения критерия Кокрофта-Латама до значений, превышающих среднее. Это отражено на правой части гистограммы и оранжево-красным зонам на заготовке. Возникновение зон со степенью разрушения выше 0,8 свидетельствует о вероятности разрушения металла в их окрестности при дальнейшей деформации.

Данные моделирования согласуются с известными представлениями о концентрации напряжений в металле при сортовой прокатке, и, поскольку в исследуемом процессе суммарная доля значений критерия Кокрофта-Латама, находящихся в «зоне риска», не превышает 1,5% по объему заготовки, в рамках моделирования этой величиной можно пренебречь как статистически незначимой. Умеренная в целом расчетная степень поврежденности металла на протяжении всего маршрута прокатки, определенная по критерию Кокрофта-Латтама свидетельствует о рациональном выборе режима обжатий.

Анализ результатов исследований выявил высокую склонность полуфабрикатов из исследуемого сплава к деформационному упрочнению, при этом расчет силы прокатки для такого режима обжатий (см. табл. 2) показал, что загрузка оборудования удовлетворяет допустимым значениям этой величины для применяемых сортопрокатных станов.

Также с применением разработанной компьютерной модели процесса волочения [1] было проведено моделирование этого процесса для исследуемого сплава по предлагаемому режиму обжатий (табл. 3), позволившее устранить неравномерность обжатий, рассчитать силовые характеристики и определить вероятность разрушения с использованием критерия Кокрофта-Латама.

На рис. 5 представлено полученное моделированием распределение критерия Кокрофта-Латама для волочения проволоки различного диаметра из нового сплава палладия. Видно, что на первых переходах, когда пластичность металла достаточно высока, значения этого критерия достаточно низкие и не превышают 0,5, а на последнем переходе значения 0,75. Это дает возможность считать, что предложенное распределение обжатий при волочении (см. табл. 3) не приводит к обрывам проволоки, что было подтверждено результатами последующих экспериментальных исследований.

Полученные модели позволили оценить формоизменение металла в процессе обработки, напряженно-деформированной состояние и энергосиловые параметры, а результаты моделирования учитывали при выборе параметров технологического процесса и инструмента.

Для проверки их адекватности были проведены экспериментальные исследования технологии получения деформированных полуфабрикатов из сплава палладия 850 пробы в лабораторных условиях по разработанным режимам обжатий на сортопрокатном стане AF 200+180R и волочильном стане 10 NFS TRONIC фирмы «Марио ди Майо» [1].

Металлографические исследования структуры металла в литом состоянии показали, что она характеризуется дендритным строением твердого раствора, обусловленным условиями неравновесной кристаллизации, и наличием химической неоднородности.

При пластической деформации ветви дендритных кристаллов вытягиваются вместе с междендритными пространствами (рис. 6). Химическая неоднородность при этом полностью не устраняется, а в заготовках сохраняется неоднородное распределение серебра и связанного с ним кислорода. То есть по мере роста степени пластической деформации постепенно формируется волокнистое строение. Одинаковый характер структурных изменений при увеличении степени пластической деформации подтверждается снимками микроструктуры прутков и проволоки различного размера (см. рис. 5).

В результате проведенных исследований путем сортовой прокатки и волочения получили опытные партии прутков и проволоки из нового сплава палладия 850 пробы и путем испытаний на разрыв определили механические свойства металла при различных степенях суммарного обжатия.

В табл. 4 представлены расчетные и экспериментальные значения временного сопротивления и погрешность оценки точности расчетов, которая не превышает 10%.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что в литом состоянии сплав палладия, содержащий в своем составе до 13% серебра, до 2,5% золота и модифицированный родием до 0,5%, имеет высокие значения временного сопротивления порядка 437 МПа (см. табл. 4).

При сортовой прокатке с увеличением степени суммарной деформации до 90% происходит деформационного упрочнение металла и прочностные характеристики сплава повышаются до значений порядка 777,8 МПа, а пластические снижаются до 3%. Это соответствует общим представлениям и закономерностям теории обработки металлов давлением [13], [14]. Модифицирование родием за счет измельчения зеренной структуры металла также приводит к увеличению прочностных и пластических свойств, составляющим в среднем 10–15%.

Таким образом, анализ механических свойств деформированных полуфабрикатов из нового сплава палладия, содержащий в качестве легирующих компонентов серебро и золото, и модифицированного родием, показал, что обработка данного сплава характеризуется высокой технологичностью и запасом пластичности. Это позволяет получать качественные деформированные полуфабрикаты в виде прутков и проволоки при больших суммарных обжатиях без образования трещин и обрывов.

Экспериментальные исследования процесса волочения проволоки из прутка с размером стороны x=1,0 мм из исследуемого сплава проводили в лабораторных условиях на десятикратном волочильном стане 10 NFS TRONIC по режиму, представленному в табл. 3.

После волочения прутков, полученных на втором этапе сортовой прокатки, механические свойства проволоки по переходам для исследуемых сплавов изменяются в соответствии с известными закономерностями: прочностные характеристики из-за наклепа металла растут до значений порядка 800 кН, а пластические падают до значений порядка 2,5% .

4. Заключение

Таким образом, для нового сплава палладия 850 пробы проведены комплексные экспериментальные исследования, которые подтвердили адекватность разработанных компьютерных моделей, дали возможность определить уровень механических свойств полуфабрикатов на всех этапах обработки и исследовать их структуру. Результаты исследований рекомендуется использовать для разработки рациональных технологических режимов сортовой прокатки и волочения проволоки из нового сплава палладия 850 пробы ювелирного назначения, предназначенной для изготовления ювелирных цепочек.

The additional file for this article can be found as follows: