Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ В ФОРМЕ НЕОГРАНИЧЕННО ПРОТЯЖЕННОГО ПРУТКА ИЗ ДИСТИЛЛИРОВАННОГО КАЛЬЦИЯ

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к изготовлению непрерывного кальциевого прутка методом прессования.

Кальций и его сплавы необходимы в значительных объемах для десульфурации, раскисления сталей и чугунов, легирования сплавов цветных металлов. В настоящее время, наиболее широко распространенным является метод ввода кальция и его композитов с другими веществами в расплав металлов и сплавов в форме проволоки или прутка в стальной оболочке.

Известен способ производства присадочного материала с кальцием в форме проволоки, состоящей из стальной оболочки и сердечника из порошкообразных силикокальция или карбида кальция, гранулированного кальция или гранул сплавов кальция с алюминием, кремнием, магнием и др. материалов, который сначала уплотняют и компактируют, а затем прессуют или прокатывают в капсюлях (патент США №4671820). Данный способ изготовления оболочечной проволоки с наполнителем из гранулированного кальция предусматривает предварительное механическое измельчение дистиллированного кальция до порошка определенной фракции или грануляцию исходного дистиллированного кальция из расплава металла, что существенно влияет на выход годного продукта и затраты по изготовлению оболочечной проволоки.

Существует способ получения композитной проволоки из кальция в алюминиевой оболочке. Кальций заключают в алюминиевую оболочку и экструзией (прессованием) получают прутковую заготовку. Окончательное изделие получают последующей многократной холодной деформацией волочением промежуточной заготовки в оболочке из алюминия (патент SU 1807618).

Известен двухстадийный способ (патенты RU №2011685) получения изделия из кальция дистиллированного в форме проволоки, которая может быть использована для получения оболочечной проволоки. По этому способу в качестве исходного материала используют дистиллированный кальций в компактном виде с не литой кристаллической структурой и развитой поверхностью. На первом этапе дистиллированный кальций сначала нагревают, а затем подвергают прессованию для получения промежуточных заготовок в виде прутка. Из прутка изготавливают мерные заготовки для второго этапа прессования. Окончательное изделие в виде проволоки изготавливают экструзией из мерных заготовок после их предварительного нагрева.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения изделия из кальция дистиллированного в форме проволоки РФ №2152834. В данном способе исходным материалом для кальциевой проволоки является компактный дистиллированный кальций в форме цилиндрических заготовок. Способ получения проволоки предусматривает использование двух этапов прессования и включает первый нагрев, первый этап прессования дистиллированного кальция с получением промежуточных заготовок, второй нагрев и второй этап прессования в непрерывном режиме со сваркой последовательно подаваемых промежуточных заготовок. Перед первым нагревом внешняя поверхность заготовок дистиллированного кальция сначала зачищается от окислов и загрязнений, затем его нагревают в атмосфере воздуха до температуры не более 0,12 температуры плавления кальция. Второй нагрев перед прессованием проволоки осуществляют на воздухе до температуры не более 0,18 температуры плавления кальция. Зачистка внешней поверхности дистиллированного кальция перед первым нагревом, ограничение температур нагрева заготовок на первом и втором этапах проводятся для повышения механических характеристик проволоки на участках, соответствующих зоне сварного шва и расширения ее сортамента за счет изготовления проволоки диаметром менее 10 мм. Данная проволока может быть использована для изготовления оболочечной проволоки.

Рассматривая данный способ получения непрерывной кальциевой проволоки отметим, что процесс получения готового изделия из компактного дистиллированного кальция является многостадийным, энергозатратным, трудоемким и требующим большого количества единиц оборудования. Дистиллированный кальций обладает рыхлой кристаллической структурой с развитой поверхностью и при нагревании на воздухе неминуемо подвергается окислению. Кроме того, предварительный нагрев исходного материала в атмосфере воздуха приводит к значительным потерям металла при прессовании на первом этапе, т.к. прессовый остаток из металла и окислов требует последующего удаления, утилизации и переработки. Изготовление мерных заготовок из прутка после первого прессования также требует утилизации и переработки стружки. Прессование мерных промежуточных заготовок на втором этапе происходит с образованием локализованной зоны сварки, механические свойства которой отличаются от свойств металла. Образование локализованной зоны обусловлено тем, что промежуточные заготовки, полученные прессованием на первом этапе, имеют глубоко деформированную структуру приближающуюся к литой, особенно на границе раздела. Кроме того, при нагревании на воздухе снижается активность кальция на границе раздела и в изделии формируется зона сварного шва, имеющая пониженную прочность.

Целью заявляемого изобретения является получение изделия в форме прутка неограниченно протяженной длины из кальция дистиллированного с высокими механическими свойствами, за одну стадию прессования, с использованием минимального количества оборудования, снижение энергетических затрат, трудоемкости процесса и минимизация отходов требующих дополнительной переработки и утилизации.

Технический результат достигается тем, что в качестве исходного материала используют дистиллированный кальций произвольной формы, загружают без предварительного нагревания в контейнер пресса на прессовый остаток высотой не менее 0,2 диаметра контейнера и прессуют со скоростью не более 5 мм/с. Теплофизические свойства, пластичность и свариваемость активного дистиллированного кальция с лимитированным по размерам прессовым остатком в процессе прессования исключают появление локализованной зоны сваривания (сварного шва). В заявляемом способе нет необходимости предварительного измельчения дистиллированного кальция до порошкообразного состояния механическим методом или грануляцией расплава металла, не требуется изготовления промежуточных мерных заготовок, поэтому при реализации предлагаемого способа используется минимально возможное количество единиц оборудования, на порядок уменьшаются энергетические затраты, снижается трудоемкость процесса. Предлагаемый способ допускает использование заготовок предварительно изготовленных компактированием исходного кускового дистиллированного кальция любым из известных способов деформационного уплотнения исходного материала с деформацией, обеспечивающей минимальное сцепление отдельных кусков друг с другом. При заявляемых условиях не требуется производить нагрев дистиллированного кальция перед прессованием, что предотвращает окисление деформируемого материала и снижение его активности, тем самым минимизируется количество и тип отходов, требующих утилизации и переработки. При этом, так как предварительный нагрев кальция перед прессованием не проводится, процесс можно остановить в любой момент, не извлекая прессового остатка, а затем прессование со сваркой в непрерывный пруток можно продолжить, подгрузив очередную порцию кусков дистиллированного кальция.

Заявляемый способ успешно опробован, были получены изделия в форме неограниченно протяженного прутка из кальция дистиллированного диаметром от 8 до 14 мм и длиной свыше 2000 метров каждый. Из полученного кальциевого прутка изготовлена оболочечная проволока в железной оболочке.

Пример 1.

Опробование способа проведено на вертикальном гидравлическом прессе усилием 15МН. Инструмент: одноканальные матрицы с круглым отверстием диаметром 8 мм, 9 мм и 14 мм и контейнера для прессования диаметром 110 мм, 130 мм и 150 мм. Куски дистиллированного кальция произвольной формы и размеров от 1 до 130 мм без предварительного нагревания загружали в контейнер диаметром 130 мм и прессовали при скорости не более 5,0 мм/с с вытяжками (µ), равными 264, 210 и 80 для прутка диаметром 8 мм, 9 мм и 14 мм соответственно. Из контейнера 110 мм прессование осуществлялось с µ=180, µ=150 и µ=60 для прутка диаметром 8 мм, 9 мм и 14 мм соответственно. Из контейнера диаметром 150 мм прессование осуществлялось с µ=351 для прутка диаметром 8 мм.

Непрерывный пруток получали деформационным свариванием прессового остатка с очередной порцией загружаемых кусков дистиллированного кальция. Отсутствие образования сварного шва или локализованной сварной зоны обеспечивалось использованием лимитированного прессового остатка, высота которого соответствовала не менее 0,2 диаметра контейнера под прессование. Снижение высоты прессового остатка приводило к появлению дефектов на готовом изделии в виде трещин, надрывов, раковин и т.д., которые снижают технологичность изготовления из непрерывного прутка оболочечной проволоки. Высокая исходная активность кальция, структура исходного материала, в совокупности с деформационным разогревом и ограничением скорости при прессовании обеспечивали равномерные механические свойства по всей длине готового прутка.

Так как отсутствует необходимость регламентированного нагрева кальция перед прессованием, процесс можно было остановить на продолжительное время, а затем продолжить после загрузки очередной порции кусков дистиллированного кальция.

Пример 2.

Опробование способа по примеру 1, но во время прессования одноканальная матрица и контейнер под прессование диаметром 130 мм и 150 мм подвергались постоянному нагреванию до температуры не более 350°С. Постоянное лимитированное нагревание инструмента и деформационный разогрев кальция обеспечивали высокую пластичность готового прутка диаметром от 8 до 14 мм необходимую для качественного формирования оболочечной проволоки. Испытания механических свойств по длине прутка показали, что значения предела текучести (σ₂) не менее 45 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 10%.

Пример 3.

Опробование способа по примерам 1 и 2, но прессованию подвергался дистиллированный кальций в виде заготовок диаметром до 130 мм полученных предварительным компактированием кусков произвольной формы и размером от 1 до 100 мм. В данном случае решали задачу максимального использования полезного объема контейнера под прессование и снижения трудоемкости процесса загрузки. Компактирование осуществляли при комнатной температуре в разборный контейнер цилиндрической формы. Куски загружали в контейнер, после чего деформационным уплотнением на пневматическом молоте формировали промежуточную заготовку со структурой обеспечивающей минимальное сцепление отдельных кусков, которая соответствовала уменьшению насыпного объема приблизительно на 25%. Полученные промежуточные заготовки прессовали без предварительного нагревания при скорости не более 5,0 мм/с.