1. Úvod

Wolframové dráty o tloušťce od několika do desítek mikrometrů se plasticky tvarují do spirál a používají se pro žárovkové a výbojkové světelné zdroje. Výroba drátu je založena na práškové technologii, tj. wolframový prášek získaný chemickým procesem se postupně podrobuje lisování, slinování a tvarování plastů (rotační kování a tažení). Všimněte si, že proces navíjení drátu musí vést k dobrým plastickým vlastnostem a „ne příliš vysoké“ elasticitě. Na druhou stranu z důvodu podmínek využití spirál a především požadované vysoké odolnosti proti tečení nejsou rekrystalizované dráty vhodné pro výrobu, zejména pokud mají hrubozrnnou strukturu.

Úprava mechanických a plastických vlastností kovových materiálů, zejména snížení silného mechanického zpevnění bez úpravy žíháním, je možná pomocí mechanického školení. Tento proces spočívá ve vystavení kovu opakované, střídavé a nízkoplastické deformaci. Účinky cyklické kontraflexury na mechanické vlastnosti kovů jsou dokumentovány mj. v práci Bochniaka a Mosora [1], zde s použitím CuSn 6,5 % cínových bronzových pásků. Ukázalo se, že mechanický trénink vede k změkčení práce.
Mechanické parametry wolframových drátů zjištěné v jednoduchých jednoosých tahových zkouškách jsou bohužel daleko nedostatečné pro predikci jejich chování ve výrobním procesu spirál. Tyto dráty se i přes podobné mechanické vlastnosti často vyznačují výrazně odlišnou náchylností k vinutí. Při posuzování technologických charakteristik wolframového drátu se proto za spolehlivější považují výsledky následujících zkoušek: vinutí drátu jádra, jednosměrné kroucení, stlačení ostří nože, ohyb a natažení nebo reverzibilní páskování [2] . Nedávno byla navržena nová technologická zkouška [3], při které je drát vystaven současnému kroucení s tahem (TT test) a napěťový stav se – dle názoru autorů – blíží stavu, ke kterému dochází ve výrobním procesu. vláken. Navíc výsledky TT testů provedených na wolframových drátech s různými průměry prokázaly jeho schopnost předvídat jejich pozdější chování během technologických procesů [4, 5].

Cílem zde prezentované práce je odpovědět na otázku, zda a zda, do jaké míry může použití cyklického deformačního zpracování (CDT) na wolframovém drátu kontinuálním mnohostranným ohýbáním metodou střihání [6] modifikovat jeho mechanické a technologické důležité vlastnosti.

Obecně řečeno, cyklická deformace kovů (např. tahem a tlakem nebo oboustranným ohybem) může být doprovázena dvěma různými strukturálními procesy. První je charakteristická pro deformaci s malými amplitudami a

zahrnuje tzv. únavové jevy, jejichž výsledkem je, že se silně mechanicky zpevněný kov promění v deformačně změkčený, než dojde k jeho destrukci [7].

Druhý proces, dominantní při deformaci s vysokými amplitudami deformace, vytváří silnou heterogenizaci plastických smykových pásů generujících tok. V důsledku toho dochází k drastické fragmentaci kovové struktury, zejména k tvorbě nanozrn, tedy k výraznému zvýšení jejích mechanických vlastností na úkor zpracovatelnosti. Tohoto efektu se dosáhne např. metodou kontinuálního opakujícího se zvlnění a rovnání vyvinutou Huangem et al. [8], který spočívá ve vícenásobném, střídavém, průchodu (válcování) pásů mezi „ozubeným“ a hladkým válcem, nebo sofistikovanějším způsobem, což je metoda kontinuálního ohýbání pod tahem [9], kdy natahovaný pás je kontraflexní díky reverzibilnímu pohybu po své délce sady rotujících válců. Rozsáhlé fragmentace zrn lze samozřejmě dosáhnout i při monotónní deformaci s velkým namáháním, a to pomocí metod tzv. Severe Plastic Deformation, zejména metod Equal Channel Angular Extrusion [10] nejčastěji splňujících podmínky pro jednoduché nůžky na kov. Bohužel se používají hlavně v laboratorním měřítku a to technicky není možné

použít je k získání specifických mechanických vlastností dlouhých pásů nebo drátů.

Byly také učiněny určité pokusy o posouzení vlivu cyklicky se měnícího smyku aplikovaného s malými jednotkovými deformacemi na schopnost aktivovat jevy únavy. Výsledky experimentálních studií provedených [11] na pásech mědi a kobaltu kontraflexurou se smykem potvrdily výše uvedenou tezi. Ačkoli je kontraflexura se smykovou metodou poměrně snadno aplikovatelná na ploché kovové díly, přímější aplikace pro dráty nedává smysl, protože z definice nezaručuje získání homogenní struktury, a tedy identických vlastností na obvod (s libovolně orientovaným poloměrem) drátu. Z tohoto důvodu tento článek využívá nově vytvořenou a originální metodu CDT navrženou pro tenké dráty, založenou na kontinuálním mnohostranném ohýbání se smykem.

1 Schéma procesu mechanického školení drátů Obr.1 wolframový drát,2 cívka s drátem k odvíjení,3 systém šesti rotujících matric,4 cívka vinutí,5 přerušit váhu, a6 brzda (ocelový válec s pásem cínového bronzu kolem něj)

2. Experimentujte

CDT wolframového drátu o průměru 200 μm bylo provedeno na speciálně zkonstruovaném zkušebním zařízení, jehož schéma je na obr. 1. Odvinutý drát (1) z cívky

(2) o průměru 100 mm, byl zaveden do systému šesti průvlaků (3), s otvory stejného průměru jako drát, které jsou upevněny ve společném pouzdře a otáčejí se kolem osy rychlostí 1 350 ot/ min. Po průchodu zařízením byl drát navíjen na cívku (4) o průměru 100 mm rotující rychlostí 115 ot/min. Použité parametry rozhodují o lineární rychlosti drátu vzhledem k rotujícím průvlakům je 26,8 mm/ot.

Vhodná konstrukce systému zápustek znamenala, že každá druhá zápustka se otáčela excentricky (obr. 2) a každý kus drátu procházející rotujícími průvlaky byl vystaven kontinuálnímu mnohostrannému ohýbání se střihem vyvolaným žehlením na okraji vnitřního povrchu zápustek.

Obr. 2 Schematické rozložení rotujících matric (označených číslem3 na obr. 1)

Obr. 3 Systém lisovnic: celkový pohled; b základní části:1 centrické formy,2 excentrické raznice,3 distanční kroužky

Odvinutý drát byl vlivem působení tahu pod vlivem počátečního napětí, které jej nejen chrání před zapletením, ale také určuje vzájemnou účast ohybové a smykové deformace. Toho bylo možné dosáhnout díky brzdě namontované na cívce ve formě pásku z cínového bronzu lisovaného závažím (na obr. 1 označeno jako 5 a 6). Obrázek 3 ukazuje vzhled tréninkového zařízení ve složeném stavu a každou z jeho součástí. Trénink drátů byl proveden se dvěma různými váhami:

4,7 a 8,5 N, až čtyři průchody sadou matric. Axiální napětí činilo 150 a 270 MPa.

Tahová zkouška drátu (jak ve výchozím stavu, tak natrénovaná) byla provedena na zkušebním stroji Zwick Roell. Délka měřidla vzorků byla 100 mm a rychlost deformace v tahu byla

8×10⁻³ s⁻¹. V každém případě jeden měřicí bod (pro každý

z variant) představuje alespoň pět vzorků.

TT test byl proveden na speciálním zařízení, jehož schéma je znázorněno na obr. 4 dříve prezentovaném Bochniakem et al. (2010). Střed wolframového drátu (1) o délce 1 m byl umístěn do úchytu (2) a poté jeho konce po průchodu vodícími válečky (3) a připevnění závaží (4) po 10 N, byly zablokovány ve svorce (5). Rotační pohyb západky (2) měl za následek navinutí dvou kusů drátu

(navíjené na sebe), s pevnými konci testovaného vzorku, bylo prováděno s postupným zvyšováním tahových napětí.

Výsledkem testu byl počet zkroucení (N_T) potřebné k přetržení drátu a obvykle se vyskytovaly na přední straně vytvořené spleti, jak je znázorněno na obr. 5. Pro každou variantu bylo provedeno nejméně deset testů. Po tréninku měl drát mírně zvlněný tvar. Je třeba zdůraznit, že podle prací Bochniaka a Pieły (2007) [4] a Filípka (2010)

[5] TT test je jednoduchá, rychlá a levná metoda pro stanovení technologických vlastností vodičů určených k vinutí.

4 Schéma TT testu: Obr.1 testovaný drát,2 záchytka otáčená elektromotorem, spojená se zařízením pro záznam kroucení,3 vodicí válečky,4závaží,5 čelisti svírající konce drátu

3. Výsledky

Vliv počátečního napětí a počtu průchodů v procesu CDT na vlastnosti wolframových drátů jsou znázorněny na Obr. 6 a 7. Velký rozptyl získaných mechanických parametrů drátu ilustruje míru nehomogenity materiálu získaného práškovou technologií, a proto se provedená analýza zaměřuje na trendy změn testovaných vlastností a nikoli na jejich absolutní hodnoty.

Komerční wolframový drát se vyznačuje průměrnými hodnotami meze kluzu (YS) rovnými 2 026 MPa, mezní pevností v tahu (UTS) 2 294 MPa, celkovým prodloužením

A≈2,6 % a N_Taž 28. Bez ohledu na to

velikosti použitého napětí, CDT vede pouze k malému

pokles UTS (nepřesahující 3 % pro drát po čtyřech průchodech) a jak YS, tak iA zůstávají relativně na stejné úrovni (obr. 6a–c a 7a–c).

Obr. 5 Pohled na wolframový drát po přetržení v TT testu

6 Vliv mechanického tréninku ( Obr.počet průchodů n) na mechanické (a–c) a technologické (d) (definované N_Tv testu TT) vlastnosti wolframového drátu; hodnota připojeného závaží 4,7 N

CDT vždy vede k výraznému zvýšení počtu zkroucení drátu N_T. Zejména u prvních dvou průchodů N_Tdosahuje více než 34 pro tah 4,7 N a téměř 33 pro tah 8,5 N. To představuje nárůst o cca 20 % oproti komerčnímu drátu. Použití vyššího počtu průchodů vede k dalšímu zvýšení N_Tpouze v případě tréninku pod napětím 4,7 N. Drát po čtyřech průchodech ukazuje průměrnou velikost N_Tpřesahující 37, což oproti drátu ve výchozím stavu představuje nárůst o více než 30 %. Další trénování drátu při vyšším napětí by již nezměnilo velikost dříve dosaženého N_Thodnoty (obr. 6d a 7d).

4. Analýza

Získané výsledky ukazují, že metoda použitá pro wolframový drát CDT prakticky nemění své mechanické parametry stanovené tahovými zkouškami (došlo pouze k mírnému poklesu meze pevnosti v tahu), ale výrazně zvyšuje jeho

technologické vlastnosti určené pro výrobu spirál; to je reprezentováno počtem zkroucení v testu TT. To potvrzuje výsledky dřívějších studií Bochniaka a Pieły (2007)

[4] o nedostatečné konvergenci výsledků tahových zkoušek s pozorovaným chováním drátů ve výrobním procesu spirál.

Reakce wolframových drátů na proces CDT výrazně závisí na použitém napětí. Při nízké síle napětí pozorujeme parabolický růst počtu zákrutů s počtem průchodů, přičemž aplikace větších hodnot napětí vede (již po dvou průchodech) k dosažení stavu nasycení a stabilizaci dříve získaných technologických vlastnosti (obr. 6d a 7d).

Takto diverzifikovaná odezva wolframového drátu podtrhuje skutečnost, že velikost napětí určuje kvantitativní změnu jak napěťového, tak i deformačního stavu materiálu a následně jeho pružně-plastického chování. Použití vyššího napětí během procesu ohýbání plastu v drátu procházejícím mezi po sobě jdoucími špatně vyrovnanými průvlaky vede k menšímu poloměru ohýbání drátu; proto je plastická deformace ve směru kolmém k ose drátu odpovědná za mechanismus střihu větší a vede k lokalizovanému plastickému toku ve střižných pásech. Na druhé straně nízké napětí způsobuje, že proces CDT drátu probíhá s větší účastí pružné deformace (tj. plastická deformační část je menší), což podporuje dominanci homogenní deformace. Tyto situace se výrazně liší od situací, které nastávají při jednoosé tahové zkoušce.

Je třeba také poznamenat, že CDT zlepšuje technologické vlastnosti pouze u drátů s dostatečnou kvalitou, tj. bez výraznějších vnitřních vad (póry, dutiny, diskontinuity, mikrotrhliny, nedostatečná kontinuita adheze na hranicích zrn atd. .) vznikající při výrobě drátu práškovou metalurgií. V opačném případě narůstající rozptyl získané hodnoty zkroucení N_Tspolu s nárůstem počtu průchodů ukazuje na prohlubující se diferenciaci struktury drátu v jeho různých částech (na délku), takže může sloužit i jako užitečné kritérium pro hodnocení kvality komerčního drátu. Tyto problémy budou předmětem budoucího vyšetřování.

7 Vliv mechanického tréninku ( Obr.počet průchodů n) na mechanické (a–c) a technologické (d) (definované N_Tv testu TT) vlastnosti wolframového drátu; hodnota připojeného závaží 8,5 N

5. Závěry

1, CDT wolframových drátů zlepšuje jejich technologické vlastnosti, jak je definováno v krutu s tahovou zkouškou N_Tpřed rozbitím.

2, Zvýšení N_Tindexu o cca 20 % je dosaženo drátem podrobeným dvěma sériím CDT.

3， Velikost napětí drátu v procesu CDT má významný vliv na jeho technologické vlastnosti definované hodnotou N_Tindex. Jeho nejvyšší hodnoty dosáhl drát namáhaný mírným tahem (tahové napětí).

4， Použití vyššího napětí a více cyklů mnohostranného ohybu se střihem není oprávněné, protože vede pouze ke stabilizaci dříve dosažené hodnoty N_Tindex.

5， Výrazné zlepšení technologických vlastností CDT wolframového drátu není doprovázeno změnou mechanických parametrů stanovených tahovou zkouškou, což potvrzuje zažité přesvědčení o nízké použitelnosti takové zkoušky pro předvídání technologického chování drátu.

Získané experimentální výsledky prokazují vhodnost CDT wolframového drátu pro výrobu spirál. Zejména na základě metody používané pro postupné prodlužování délky drátu způsobuje cyklické, vícesměrné ohýbání s malým namáháním relaxaci vnitřních pnutí. Z tohoto důvodu existuje omezení tendence lámání drátu při plastickém tvarování spirál. V důsledku toho bylo potvrzeno, že snížení množství odpadu ve výrobních podmínkách zvyšuje efektivitu výrobního procesu eliminací prostojů automatizovaného výrobního zařízení, ve kterém je po přerušení drátu nutné „ručně“ aktivovat nouzové zastavení. ze strany provozovatele.