1. Въведение

Волфрамовите проводници с дебелина от няколко до десетки микрометра се оформят пластично в спирали и се използват за източници на светлина с нажежаема жичка и разряд. Производството на тел се основава на праховата технология, т.е. волфрамовият прах, получен чрез химичен процес, се подлага последователно на пресоване, синтероване и пластично формоване (ротационно коване и изтегляне). Имайте предвид, че процесът на намотаване на тел трябва да доведе до добри пластични свойства и „не твърде висока“ еластичност. От друга страна, поради експлоатационните условия на спиралите и преди всичко изискваната висока устойчивост на пълзене, прекристализираните телове не са подходящи за производство, особено ако имат едрозърнеста структура.

Модифицирането на механичните и пластичните свойства на металните материали, по-специално намаляването на силното втвърдяване при работа без обработка с отгряване, е възможно чрез механично обучение. Този процес се състои в подлагане на метала на многократна, редуваща се и слабопластична деформация. Ефектите от цикличната контрафлексура върху механичните свойства на металите са документирани, между другото, в статията на Bochniak и Mosor [1], като тук се използват CuSn 6,5% калаени бронзови ленти. Доказано е, че механичното обучение води до омекотяване на работата.
За съжаление, механичните параметри на волфрамовите проводници, определени при прости едноосни тестове за опън, са далеч недостатъчни, за да се предвиди тяхното поведение в производствения процес на спирали. Тези проводници, въпреки сходните механични свойства, често се характеризират със значително различна чувствителност към навиване. Следователно, когато се оценяват технологичните характеристики на волфрамовия проводник, резултатите от следните тестове се считат за по-надеждни: навиване на сърцевината на проводника, еднопосочно усукване, компресия на ръба на ножа, огъване и разтягане или реверсивна лента [2] . Наскоро беше предложен нов технологичен тест [3], при който телта се подлага на едновременно усукване с опън (ТТ тест), а състоянието на напрежение, според авторите, е близко до това, което се случва в производствения процес на нишките. Освен това, резултатите от ТТ тестове, проведени върху волфрамови проводници с различни диаметри, показаха способността му да предвижда тяхното по-късно поведение по време на технологични процеси [4, 5].

Целта на работата, представена тук, е да отговори на въпроса дали и дали до каква степен използването на обработка с циклична деформация (CDT) върху волфрамова тел чрез непрекъснато многостранно огъване с метод на срязване [6] може да промени нейните механични и технологични важни свойства.

Най-общо казано, цикличната деформация на металите (например чрез опън и компресия или двустранно огъване) може да бъде придружена от два различни структурни процеса. Първият е характерен за деформация с малки амплитуди и

включва така наречените явления на умора, в резултат на което силно закаленият метал се превръща в размекнат от деформация, преди да настъпи разрушаването му [7].

Вторият процес, доминиращ по време на деформация с високи амплитуди на деформация, води до силна хетерогенизация на лентите на срязване, генериращи пластичен поток. Вследствие на това има драстично фрагментиране на металната структура, по-специално образуването на зърна с наноразмери, което води до значително повишаване на неговите механични свойства за сметка на обработваемостта. Такъв ефект се получава при например метод за непрекъснато повтарящо се гофриране и изправяне, разработен от Huang et al. [8], който се състои от многократно, алтернативно, преминаване (търкаляне) на ленти между „назъбените” и гладки ролки, или по по-сложен начин, който е метод на непрекъснато огъване под напрежение [9], където опънатата лента е контрафлексиран поради реверсивно движение по дължината на набор от въртящи се ролки. Разбира се, обширната фрагментация на зърната може да се получи и по време на монотонна деформация с голямо напрежение, като се използват така наречените методи на тежка пластична деформация, по-специално методите на равноканална ъглова екструзия [10], които най-често отговарят на условията за проста срязване на метал. За съжаление те се използват предимно в лабораторни мащаби и това е технически невъзможно

да ги използват за получаване на специфични механични свойства на дълги ленти или жици.

Направени са и някои опити за оценка на влиянието на циклично променящото се срязване, приложено с малки единични деформации върху способността за активиране на явленията на умора. Резултатите от експериментални изследвания, проведени [11] върху ленти от мед и кобалт чрез контрафлексура със срязване, потвърдиха горната теза. Въпреки че методът на контрафлексура със срязване е сравнително лесен за прилагане към плоски метални части, по-директното приложение за проводници няма смисъл, тъй като по дефиниция не гарантира получаване на хомогенна структура и следователно идентични свойства върху обиколката (с произволно ориентиран радиус) на жицата. Поради тази причина тази статия използва новоформиран и оригинален метод на CDT, предназначен за тънки проводници, базиран на непрекъснато многостранно огъване със срязване.

Фиг. 1 Схема на процеса на механично обучение на проводници:1 волфрамова тел,2 намотка с тел за развиване,3 система от шест въртящи се матрици,4 бобина за навиване,5 прекъснете теглото и6 спирачка (стоманен цилиндър с лента от калаен бронз около него)

2. Експериментирайте

CDT на волфрамова жица с диаметър 200 μm беше извършена на специално конструирано тестово устройство, чиято схема е показана на фиг. 1. Ненавита тел (1) от намотката

(2) с диаметър 100 mm, беше въведена в система от шест матрици (3), с отвори със същия диаметър като телта, които са фиксирани в общ корпус и се въртят около оста със скорост 1350 rev/ мин. След преминаване през устройството телта се навива на бобина (4) с диаметър 100 mm, въртяща се със скорост 115 об/мин. Приложените параметри определят, че линейната скорост на телта спрямо въртящите се матрици е 26,8 mm/rev.

Подходящият дизайн на системата от матрици означава, че всяка втора матрица се върти ексцентрично (фиг. 2) и всяко парче тел, преминаващо през въртящите се матрици, е подложено на непрекъснато многостранно огъване със срязване, предизвикано от гладене на ръба на вътрешната повърхност на матриците.

Фиг. 2 Схематично оформление на въртящите се матрици (обозначени с номер3 на фиг. 1)

Фиг. 3 Система от матрици: общ изглед; b основни части:1 центрични матрици,2 ексцентрични матрици,3 дистанционни пръстени

Ненамотаната тел беше под въздействието на първоначално напрежение поради прилагане на напрежение, което не само я предпазва от заплитане, но също така определя взаимно участие на деформация на огъване и срязване. Това беше възможно да се постигне благодарение на спирачката, монтирана върху намотката под формата на калаена бронзова лента, притисната от тежест (обозначена като 5 и 6 на фиг. 1). Фигура 3 показва външния вид на тренировъчното устройство в сгънато състояние и всеки от неговите компоненти. Обучението на теловете беше извършено с две различни тежести:

4,7 и 8,5 N, до четири преминавания през комплекта матрици. Аксиалното напрежение възлиза съответно на 150 и 270 MPa.

Тестът за опън на тел (както в първоначално състояние, така и обучен) беше извършен на машината за изпитване Zwick Roell. Дължината на пробите беше 100 mm и скоростта на деформация на опън беше

8×10⁻³ s⁻¹. Във всеки случай, една точка на измерване (за всеки

от вариантите) представлява най-малко пет проби.

ТТ тестът е извършен на специален апарат, чиято схема е показана на фиг. 4, представена по-рано от Bochniak et al. (2010). Центърът на волфрамовия проводник (1) с дължина 1 m беше поставен в фиксатор (2), а след това краищата му, след преминаване през направляващите ролки (3) и закрепване на тежести (4) от 10 N всяка, бяха блокирани в скоба (5). Въртеливото движение на фиксатора (2) доведе до навиване на две парчета тел

(навити на себе си), с фиксирани краища на изпитвания образец, се извършва с постепенно увеличаване на напреженията на опън.

Резултатът от теста беше броят на усукванията (N_T), необходими за разкъсване на жицата и обикновено се появяват в предната част на образуваното преплитане, както е показано на Фиг. 5. Бяха проведени най-малко десет теста за всеки вариант. След тренировката телта имаше лека вълнообразна форма. Трябва да се подчертае, че според статиите на Bochniak и Pieła (2007) [4] и Filipek (2010)

[5] ТТ тестът е прост, бърз и евтин метод за определяне на технологичните свойства на проводниците, предназначени за намотаване.

Фиг. 4 Схема на ТТ теста:1 тестван проводник,2 захващане, завъртано от електрически мотор, свързано с устройството за запис на усукване,3 водещи ролки,4тежести,5 челюсти, затягащи краищата на телта

3. Резултати

Ефектът от първоначалното напрежение и броя на преминаванията в CDT процеса върху свойствата на волфрамовите проводници са показани на фиг. 6 и 7. Голямото разсейване на получените механични параметри на тел илюстрира мащаба на нехомогенността на материала, получен чрез прахова технология, и следователно извършеният анализ се фокусира върху тенденциите на промените на тестваните свойства, а не върху техните абсолютни стойности.

Търговската волфрамова тел се характеризира със средни стойности на границата на провлачване (YS), равна на 2026 MPa, максимална якост на опън (UTS) от 2294 MPa, общо удължение на

A≈2,6 % и N_Tцели 28. Независимо от

големина на приложеното напрежение, CDT води до само малка

намаляване на UTS (не надвишава 3 % за телта след четири преминавания), както и YS иA остават относително на същото ниво (фиг. 6a–c и 7a–c).

Фиг. 5 Изглед на волфрамова жица след счупване при ТТ тест

Фиг. 6 Ефект от механичното обучение (брой преминавания n) по механични (a–c) и технологични (d) (дефинирани от N_Tв теста ТТ) свойства на волфрамова тел; стойност на прикрепеното тегло от 4,7 N

CDT винаги води до значително увеличение на броя на усукванията на проводника N_T. По-специално, за първите две преминавания, N_Tдостига повече от 34 за опън от 4,7 N и почти 33 за опън от 8,5 N. Това представлява увеличение от приблизително 20 % по отношение на търговската тел. Прилагането на по-голям брой преминавания води до допълнително увеличение на N_Tсамо в случай на тренировка при напрежение от 4,7 N. Жицата след четири преминавания показва средната величина на N_Tнад 37, което в сравнение с телта в първоначално състояние представлява увеличение от над 30 %. По-нататъшното трениране на телта при по-високи напрежения вече няма да промени величината на постигнатото преди това N_Tстойности (фиг. 6d и 7d).

4. Анализ

Получените резултати показват, че методът, използван за CDT от волфрамова жица, практически не променя неговите механични параметри, определени при изпитвания на опън (има само леко намаление на крайната якост на опън), но значително повишава неговата

технологични свойства, предназначени за производство на спирали; това е представено от броя на усукванията в теста ТТ. Това потвърждава резултатите от по-ранни проучвания на Bochniak и Pieła (2007)

[4] относно липсата на сходство на резултатите от изпитването на опън с наблюдаваното поведение на теловете в процеса на производство на спирали.

Реакцията на волфрамови проводници върху процеса на CDT значително зависи от приложеното напрежение. При ниска сила на напрежение се наблюдава параболично нарастване на броя на усукванията с броя на преминаванията, докато прилагането на по-големи стойности на опън води (вече след две преминавания) до постигане на състояние на насищане и стабилизиране на получените преди това технологични свойства (фиг. 6d и 7d).

Такава разнообразна реакция на волфрамовия проводник подчертава факта, че големината на напрежението определя количествената промяна както на състоянието на напрежение, така и на състоянието на деформация на материала и следователно неговото еластично-пластично поведение. Използването на по-голямо напрежение по време на процеса на пластично огъване в телта, преминаваща между последователни неправилно подравнени матрици, води до по-малък радиус на огъване на телта; следователно пластичното напрежение в посока, перпендикулярна на оста на жицата, отговорна за механизма на срязване, е по-голямо и води до локализиран пластичен поток в лентите на срязване. От друга страна, ниското напрежение кара CDT процеса на телта да протича с по-голямо участие на еластична деформация (т.е. частта от пластична деформация е по-малка), което благоприятства доминирането на хомогенна деформация. Тези ситуации са значително различни от тези, възникващи по време на изпитването на едноосов опън.

Трябва също да се отбележи, че CDT подобрява технологичните характеристики само за проводници с достатъчно качество, т.е. без значителни вътрешни дефекти (пори, кухини, прекъсвания, микропукнатини, липса на достатъчна адхезия на непрекъснатост по границите на зърната и др. .) в резултат на производството на тел чрез прахова металургия. В противен случай нарастващото разсейване на получената стойност на обрати N_Tзаедно с увеличаването на броя на преминаванията показва задълбочаване на диференциацията на структурата на проводника в различните му части (по дължина), като по този начин може също да служи като полезен критерий за оценка на качеството на търговския проводник. Тези проблеми ще бъдат обект на бъдещи изследвания.

Фиг. 7 Ефект от механичното обучение (брой преминавания n) по механични (a–c) и технологични (d) (дефинирани от N_Tв теста ТТ) свойства на волфрамова тел; стойност на прикрепеното тегло от 8,5 N

5. Изводи

1， CDT на волфрамови проводници подобрява техните технологични свойства, както е определено в теста за усукване с опън от N_Tпреди счупване.

2, Увеличаването на N_Tиндекс с около 20 % се достига от тел, подложен на две серии CDT.

3， Големината на напрежението на проводника в процеса на CDT има значително влияние върху неговите технологични свойства, определени от стойността на N_Tиндекс. Най-високата му стойност е достигната от тел, подложена на леко напрежение (напрежение на опън).

4， Използването както на по-високо напрежение, така и на повече цикли на многостранно огъване със срязване не е оправдано, защото води само до стабилизиране на предварително достигнатата стойност на N_Tиндекс.

5， Значителното подобрение на технологичните свойства на CDT волфрамовия проводник не е придружено от промяна на механичните параметри, определени при изпитване на опън, което потвърждава поддържаното убеждение за ниската използваемост на такъв тест за предвиждане на технологичното поведение на проводника.

Получените експериментални резултати демонстрират пригодността на CDT на волфрамова тел за производство на спирали. По-специално, въз основа на метода, използван за последователно придвижване на дължината на проводника, цикличното, многопосочно огъване с малко напрежение причинява релаксация на вътрешните напрежения. Поради тази причина има ограничение за склонността на телта да се счупи по време на пластичното формоване на спирали. В резултат на това беше потвърдено, че намаляването на количеството отпадъци при производствени условия повишава ефективността на производствения процес чрез елиминиране на времето за престой на автоматизирано производствено оборудване, при което след скъсване на проводника аварийното спиране трябва да се активира „ръчно“ от оператора.