1. Introduzione

I fili di tungsteno, di spessore da alcuni a decine di micrometri, vengono plasticamente formati a spirale e utilizzati per sorgenti luminose a incandescenza e scarica. La produzione del filo si basa sulla tecnologia delle polveri, ovvero la polvere di tungsteno ottenuta attraverso un processo chimico viene successivamente sottoposta a pressatura, sinterizzazione e formatura plastica (forgiatura rotativa e trafilatura). Si noti che il processo di avvolgimento del filo deve garantire buone proprietà plastiche e un'elasticità "non troppo elevata". D'altro canto, a causa delle condizioni di sfruttamento delle spirali e soprattutto dell'elevata resistenza allo scorrimento viscoso richiesta, i fili ricristallizzati non sono adatti alla produzione, soprattutto se hanno una struttura a grana grossa.

Modificare le proprietà meccaniche e plastiche dei materiali metallici, in particolare, riducendo il forte incrudimento senza un trattamento di ricottura è possibile utilizzando la formazione meccanica. Questo processo consiste nel sottoporre il metallo a deformazioni ripetute, alternate e poco plastiche. Gli effetti della controflessione ciclica sulle proprietà meccaniche dei metalli sono documentati, tra gli altri, nell'articolo di Bochniak e Mosor [1], in questo caso utilizzando strisce di bronzo allo stagno CuSn al 6,5%. È stato dimostrato che l'allenamento meccanico porta ad un ammorbidimento del lavoro.
Sfortunatamente, i parametri meccanici dei fili di tungsteno determinati in semplici prove di trazione uniassiali sono di gran lunga insufficienti per prevederne il comportamento nel processo di produzione delle spirali. Questi fili, nonostante proprietà meccaniche simili, sono spesso caratterizzati da una suscettibilità all'avvolgimento significativamente diversa. Pertanto, nel valutare le caratteristiche tecnologiche del filo di tungsteno, i risultati dei seguenti test sono considerati più affidabili: avvolgimento del filo interno, torsione unidirezionale, compressione a lama di coltello, piegatura e allungamento o fasciatura reversibile [2] . Recentemente è stato proposto un nuovo test tecnologico [3], in cui il filo è sottoposto a torsione simultanea con tensione (TT test), e lo stato tensionale – a parere degli autori – è vicino a quello che si verifica nel processo produttivo dei filamenti. Inoltre, i risultati dei test TT condotti su fili di tungsteno di diverso diametro hanno dimostrato la sua capacità di anticipare il loro comportamento successivo durante i processi tecnologici [4, 5].

Lo scopo del lavoro qui presentato è quello di rispondere alla domanda se, e se, in che misura l’uso del trattamento di deformazione ciclica (CDT) sul filo di tungsteno mediante piegatura multilaterale continua con metodo di taglio [6], possa modificarne le caratteristiche meccaniche e tecnologiche proprietà importanti.

In generale, la deformazione ciclica dei metalli (ad esempio, per tensione e compressione o flessione bilaterale) può essere accompagnata da due diversi processi strutturali. Il primo è caratteristico per la deformazione con piccole ampiezze e

comporta i cosiddetti fenomeni di fatica, con il risultato che il metallo fortemente indurito si trasforma in un metallo ammorbidito prima che avvenga la sua distruzione [7].

Il secondo processo, dominante durante la deformazione con ampiezze di deformazione elevate, produce una forte eterogeneizzazione delle bande di taglio plastiche che generano il flusso. Di conseguenza si verifica una drastica frammentazione della struttura metallica, in particolare la formazione di grani di dimensioni nanometriche, quindi un notevole aumento delle sue proprietà meccaniche a scapito della lavorabilità. Un tale effetto è ottenuto, ad esempio, nel metodo di ondulazione e raddrizzamento continuo e ripetitivo sviluppato da Huang et al. [8], che consiste nel passaggio (arrotolamento) multiplo alternato di nastri tra i rulli “dentati” e lisci, o in modo più sofisticato, che è un metodo di piegatura continua sotto tensione [9], dove il nastro stirato è contraflesso a causa di un movimento reversibile lungo la sua lunghezza di rulli rotanti. Naturalmente, la frammentazione estesa dei grani può essere ottenuta anche durante la deformazione monotona con grande deformazione, utilizzando i cosiddetti metodi di Severe Plastic Deformation, in particolare, i metodi di Equal Channel Angular Extrusion [10] che molto spesso soddisfano le condizioni per semplici taglio del metallo. Sfortunatamente, vengono utilizzati principalmente su scala di laboratorio e tecnicamente non è possibile

per utilizzarli per ottenere proprietà meccaniche specifiche di lunghe strisce o fili.

Sono stati fatti anche alcuni tentativi per valutare l'influenza di tagli ciclicamente variabili applicati con piccole deformazioni unitarie sulla capacità di attivare fenomeni di fatica. I risultati di studi sperimentali effettuati [11] su nastri di rame e cobalto mediante controflessione con taglio hanno confermato la tesi sopra esposta. Sebbene il metodo della controflessione con taglio sia abbastanza semplice da applicare su parti metalliche piane, l’applicazione più diretta per i fili non ha senso, perché, per definizione, non garantisce l’ottenimento di struttura omogenea, e quindi identiche proprietà su la circonferenza (con raggio orientato arbitrariamente) del filo. Per questo motivo, questo articolo utilizza un metodo di CDT di nuova concezione e originale progettato per fili sottili, basato sulla piegatura multilaterale continua con taglio.

Fig. 1 Schema del processo di formazione meccanica dei fili:1 filo di tungsteno,2 bobina con filo da srotolare,3 sistema di sei filiere rotanti,4 bobina di avvolgimento,5 rompere il peso e6 freno (cilindro in acciaio con attorno una fascia di bronzo allo stagno)

2. Esperimento

La CDT del filo di tungsteno con un diametro di 200 μm è stata eseguita su un dispositivo di prova appositamente costruito il cui schema è mostrato in Fig. 1. Filo non avvolto (1) dalla bobina

(2) con diametro di 100 mm, è stato introdotto in un sistema di sei filiere (3), con fori dello stesso diametro del filo, che sono fissate in un alloggiamento comune e ruotanti attorno all'asse ad una velocità di 1.350 giri/ min. Dopo aver attraversato il dispositivo, il filo veniva avvolto sulla bobina (4) del diametro di 100 mm rotante ad una velocità di 115 giri/min. I parametri applicati determinano che la velocità lineare del filo rispetto alle matrici rotanti è di 26,8 mm/giro.

Una progettazione adeguata del sistema di matrici implicava che ogni seconda matrice ruotasse eccentricamente (Fig. 2), e ogni pezzo di filo che passava attraverso le matrici rotanti era soggetto a flessione multilaterale continua con taglio indotto dalla stiratura sul bordo della superficie interna delle matrici.

Fig. 2 Disposizione schematica delle matrici rotanti (etichettate con il numero3 nella figura 1)

Fig. 3 Sistema di matrici: vista generale; b parti di base:1 stampi centrici,2 matrici eccentriche,3 anelli distanziatori

Il filo svolto era sotto l'influenza di uno stress iniziale dovuto all'applicazione della tensione, che non solo lo protegge dall'aggrovigliamento, ma determina anche la mutua partecipazione alla deformazione di flessione e taglio. Ciò è stato possibile grazie al freno montato sulla bobina sotto forma di una striscia di bronzo allo stagno pressata da un peso (indicato con 5 e 6 in Fig. 1). La Figura 3 mostra l'aspetto del dispositivo di allenamento quando piegato e ciascuno dei suoi componenti. L'allenamento dei fili è stato eseguito con due pesi diversi:

4,7 e 8,5 N, fino a quattro passaggi attraverso il set di matrici. Le sollecitazioni assiali sono state rispettivamente pari a 150 e 270 MPa.

Le prove di trazione del filo (sia nello stato iniziale che addestrato) sono state eseguite sulla macchina di prova Zwick Roell. La lunghezza del calibro dei campioni era di 100 mm e la velocità di deformazione a trazione era

8×10⁻³ s⁻¹. In ogni caso, un punto di misurazione (per ciascuno

delle varianti) rappresenta almeno cinque campioni.

Il test TT è stato eseguito su un apparato speciale il cui schema è mostrato nella Fig. 4 precedentemente presentata da Bochniak et al. (2010). Il centro del filo di tungsteno (1) con una lunghezza di 1 m è stato posizionato in un fermo (2), e poi le sue estremità, dopo aver fatto passare attraverso i rulli di guida (3) e aver attaccato pesi (4) di 10 N ciascuno, erano bloccati in un morsetto (5). Il movimento rotatorio del fermo (2) ha provocato l'avvolgimento di due pezzi di filo

(avvolti su se stessi), con le estremità fisse del provino in prova, è stata effettuata con un graduale aumento delle sollecitazioni a trazione.

Il risultato del test era il numero di torsioni (N_T) necessaria per rompere il filo e solitamente avveniva sul fronte del groviglio formatosi, come mostrato in Fig. 5. Sono state eseguite almeno dieci prove per variante. Dopo l'allenamento il filo aveva una forma leggermente ondulata. Va sottolineato che secondo i lavori di Bochniak e Pieła (2007) [4] e Filipek (2010)

[5] il test TT è un metodo semplice, veloce ed economico per determinare le proprietà tecnologiche dei fili destinati all'avvolgimento.

Fig. 4 Schema del test TT:1 filo testato,2 fermo ruotato da un motore elettrico, accoppiato al dispositivo di registrazione della torsione,3 rulli guida,4pesi,5 ganasce che serrano le estremità del filo

3. Risultati

L'effetto della tensione iniziale e del numero di passaggi nel processo CDT sulle proprietà dei fili di tungsteno sono mostrati nelle Figg. 6 e 7. Un'ampia varietà di parametri meccanici del filo ottenuti illustrano la scala di disomogeneità del materiale ottenuto con la tecnologia delle polveri e, pertanto, l'analisi effettuata si concentra sulle tendenze dei cambiamenti delle proprietà testate e non sui loro valori assoluti.

Il filo di tungsteno commerciale è caratterizzato da valori medi di carico di snervamento (YS) pari a 2.026 MPa, carico di rottura a trazione (UTS) pari a 2.294 MPa, allungamento totale di

A≈2,6% e il N_Tfino a 28. Indipendentemente dal

grandezza della tensione applicata, la CDT risulta solo di piccola entità

diminuzione di UTS (non superiore al 3% per il filo dopo quattro passaggi), e sia YS cheA rimanere relativamente allo stesso livello (Fig. 6a–c e 7a–c).

Fig. 5 Vista del filo di tungsteno dopo la frattura nel test TT

Fig. 6 Effetto dell'allenamento meccanico (numero di passaggi n) su quello meccanico (a–c) e tecnologico (d) (definito da N_Tnel test TT) proprietà del filo di tungsteno; valore di peso allegato di 4,7 N

La CDT porta sempre ad un aumento significativo del numero di torsioni del filo N_T. In particolare, per i primi due passaggi, N_Traggiunge più di 34 per una tensione di 4,7 N e quasi 33 per una tensione di 8,5 N. Ciò rappresenta un aumento di circa il 20 % rispetto al filo commerciale. L'applicazione di un numero maggiore di passaggi porta ad un ulteriore aumento di N_Tsolo nel caso di allenamento sotto tensione di 4,7 N. Il filo dopo quattro passaggi presenta la grandezza media di N_Tsuperiore a 37, il che, rispetto al filo nello stato iniziale, rappresenta un aumento di oltre il 30%. Un ulteriore allenamento del filo a tensioni più elevate non cambierebbe più l’entità del N precedentemente raggiunto_Tvalori (Figg. 6d e 7d).

4. Analisi

I risultati ottenuti mostrano che il metodo utilizzato per il filo di tungsteno CDT praticamente non modifica i suoi parametri meccanici determinati nelle prove di trazione (si è verificata solo una leggera diminuzione del carico di rottura a trazione), ma aumenta significativamente la sua

proprietà tecnologiche destinate alla produzione di spirali; questo è rappresentato dal numero di torsioni nel test TT. Ciò conferma i risultati di studi precedenti di Bochniak e Pieła (2007)

[4] sulla mancata convergenza dei risultati delle prove di trazione con il comportamento osservato dei fili nel processo di produzione delle spirali.

La reazione dei fili di tungsteno al processo di CDT dipende in modo significativo dalla tensione applicata. A forza di bassa tensione si osserva una crescita parabolica del numero di torsioni con il numero di passate, mentre l'applicazione di valori di tensione maggiori porta (già dopo due passate) al raggiungimento dello stato di saturazione e alla stabilizzazione della tecnologia tecnologica precedentemente ottenuta. proprietà (Figg. 6d e 7d).

Una risposta così diversificata del filo di tungsteno sottolinea il fatto che l'entità della tensione determina la variazione quantitativa sia dello stato tensionale che dello stato deformativo del materiale e di conseguenza il suo comportamento elastico-plastico. L'utilizzo di una tensione maggiore durante il processo di piegatura plastica nel passaggio del filo tra matrici disallineate successive determina un raggio di piegatura del filo più piccolo; quindi, la deformazione plastica in direzione perpendicolare all'asse del filo responsabile del meccanismo di taglio è maggiore e porta ad un flusso plastico localizzato nelle bande di taglio. D'altra parte, una bassa tensione fa sì che il processo CDT del filo avvenga con una maggiore partecipazione della deformazione elastica (cioè, la parte di deformazione plastica è minore), che favorisce il predominio della deformazione omogenea. Queste situazioni sono nettamente diverse da quelle che si verificano durante la prova di trazione uniassiale.

È inoltre da notare che la CDT migliora le caratteristiche tecnologiche solo per fili di sufficiente qualità, cioè senza difetti interni significativi (pori, vuoti, discontinuità, microfessurazioni, mancanza di sufficiente continuità di adesione ai bordi grano, ecc.). .) risultante dalla produzione di filo mediante metallurgia delle polveri. Altrimenti, la dispersione crescente del valore ottenuto delle torsioni N_Tinsieme ad un aumento del numero di passaggi indica una sempre più profonda differenziazione della struttura del filo nelle sue varie parti (in lunghezza) quindi può servire anche come criterio utile per valutare la qualità di un filo commerciale. Questi problemi saranno oggetto di future indagini.

Fig. 7 Effetto dell'allenamento meccanico (numero di passaggi n) su quello meccanico (a–c) e tecnologico (d) (definito da N_Tnel test TT) proprietà del filo di tungsteno; valore di peso allegato di 8,5 N

5. Conclusioni

1, CDT dei fili di tungsteno migliora le loro proprietà tecnologiche, come definito nel test di torsione con tensione di N_Tprima di fratturarsi.

2, L'aumento del N_TUn indice di circa il 20% viene raggiunto da un filo sottoposto a due serie di CDT.

3, L'entità della tensione del filo nel processo di CDT ha un impatto significativo sulle sue proprietà tecnologiche definite dal valore di N_Tindice. Il suo valore massimo è stato raggiunto da un filo sottoposto a leggera tensione (stress di trazione).

4, L'utilizzo sia di una tensione più elevata che di più cicli di flessione multilaterale con taglio non è giustificato perché si traduce solo nella stabilizzazione del valore di N precedentemente raggiunto_Tindice.

5, Il significativo miglioramento delle proprietà tecnologiche del filo di tungsteno CDT non è accompagnato da un cambiamento dei parametri meccanici determinati nella prova di trazione, confermando la convinzione nella scarsa utilizzabilità di tale prova per anticipare il comportamento tecnologico del filo.

I risultati sperimentali ottenuti dimostrano l'idoneità CDT del filo di tungsteno per la produzione di spirali. In particolare, in base al metodo utilizzato per l'avanzamento successivo della lunghezza del filo, la flessione ciclica e multidirezionale con poca tensione, provoca il rilassamento delle tensioni interne. Per questo motivo viene limitata la tendenza alla rottura del filo durante la formazione plastica delle spirali. Di conseguenza, è stato confermato che la riduzione della quantità di rifiuti in condizioni di produzione aumenta l’efficienza del processo produttivo eliminando i tempi di inattività delle apparecchiature di produzione automatizzate in cui, dopo la rottura del filo, un arresto di emergenza deve essere attivato “manualmente”. dall'operatore.