1. Wprowadzenie

Druty wolframowe o grubości od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów formowane są plastycznie w spirale i wykorzystywane do żarowych i wyładowczych źródeł światła. Produkcja drutu oparta jest na technologii proszkowej, tzn. proszek wolframu otrzymany w procesie chemicznym poddawany jest kolejno prasowaniu, spiekaniu i przeróbce plastycznej (kucie obrotowe i ciągnienie). Należy pamiętać, że proces nawijania drutu musi zapewniać dobre właściwości plastyczne i „nie za dużą” elastyczność. Z drugiej strony, ze względu na warunki eksploatacji spiral, a przede wszystkim wymaganą dużą odporność na pełzanie, druty rekrystalizowane nie nadają się do produkcji, zwłaszcza jeśli mają strukturę gruboziarnistą.

Modyfikowanie właściwości mechanicznych i plastycznych materiałów metalicznych, w szczególności zmniejszenie umocnienia przez zgniot bez obróbki wyżarzania, możliwe jest poprzez szkolenie mechaniczne. Proces ten polega na poddawaniu metalu powtarzalnym, naprzemiennym i niskoplastycznym odkształceniom. Wpływ cyklicznego kontrazgięcia na właściwości mechaniczne metali udokumentowano m.in. w pracy Bochniaka i Mosora [1], w której wykorzystano paski brązu cynowego CuSn 6,5%. Wykazano, że trening mechaniczny prowadzi do złagodzenia pracy.
Niestety parametry mechaniczne drutów wolframowych określone w prostych próbach jednoosiowego rozciągania są zdecydowanie niewystarczające do przewidzenia ich zachowania w procesie produkcji spiral. Druty te, pomimo podobnych właściwości mechanicznych, często charakteryzują się znacznie różną podatnością na nawijanie. Dlatego przy ocenie właściwości technologicznych drutu wolframowego za bardziej wiarygodne uważa się wyniki badań: nawijania drutu rdzeniowego, skręcania jednokierunkowego, ściskania krawędzią noża, zginania i rozciągania oraz odwracalnego prążkowania [2]. . Ostatnio zaproponowano nową próbę technologiczną [3], w której drut poddawany jest jednoczesnemu skręcaniu z rozciąganiem (test TT), a stan naprężenia – zdaniem autorów – jest zbliżony do tego, jaki występuje w procesie produkcyjnym z włókien. Ponadto wyniki badań TT przeprowadzonych na drutach wolframowych o różnych średnicach wykazały jego zdolność do przewidywania ich późniejszego zachowania w procesach technologicznych [4, 5].

Celem prezentowanej pracy jest odpowiedź na pytanie, czy i w jakim stopniu zastosowanie cyklicznej obróbki deformacyjnej (CDT) drutu wolframowego metodą ciągłego wielostronnego zginania metodą ścinania [6] może modyfikować jego właściwości mechaniczne i technologiczne ważne właściwości.

Ogólnie rzecz biorąc, cyklicznemu odkształcaniu metali (np. w wyniku rozciągania i ściskania lub dwustronnego zginania) mogą towarzyszyć dwa różne procesy strukturalne. Pierwsza jest charakterystyczna dla odkształceń o małych amplitudach i

wiąże się z tzw. zjawiskami zmęczeniowymi, w wyniku których metal silnie hartowany przez zgniot zamienia się w metal zmiękczony przez odkształcenie, zanim nastąpi jego zniszczenie [7].

Drugi proces, dominujący podczas odkształcania o dużych amplitudach odkształceń, powoduje silną heterogenizację pasm ścinania generujących przepływ plastyczny. W konsekwencji następuje drastyczna fragmentacja struktury metalu, w szczególności powstawanie nanoziarnistych ziaren, a co za tym idzie znaczny wzrost jego właściwości mechanicznych kosztem urabialności. Taki efekt uzyskuje się np. metodą ciągłego, powtarzalnego falowania i prostowania opracowaną przez Huanga i in. [8], która polega na wielokrotnym, naprzemiennym przechodzeniu (zwijaniu) pasów pomiędzy walcami „przekładniowymi” i gładkimi, lub w bardziej wyrafinowany sposób, czyli metodą ciągłego zginania pod rozciąganiem [9], gdzie rozciągnięta taśma jest przeciwgięty w wyniku odwracalnego ruchu wzdłuż swojej długości zestawu obracających się rolek. Oczywiście rozległe rozdrobnienie ziaren można uzyskać także podczas odkształcenia monotonicznego przy dużym odkształceniu, stosując metody tzw. ciężkiego odkształcenia plastycznego, w szczególności metody wytłaczania kątowego równokanałowego [10], najczęściej spełniające warunki prostego ścinanie metalu. Niestety, wykorzystuje się je głównie w skali laboratoryjnej i nie jest to technicznie możliwe

w celu uzyskania określonych właściwości mechanicznych długich pasków lub drutów.

Podjęto także próby oceny wpływu cyklicznie zmieniającego się ścinania stosowanego przy małych odkształceniach jednostkowych na zdolność do aktywowania zjawisk zmęczenia. Wyniki badań eksperymentalnych przeprowadzonych [11] na taśmach miedzi i kobaltu metodą przeciwzginania ze ścinaniem potwierdziły powyższą tezę. Mimo że przeciwgięcie metodą ścinania jest dość łatwe w zastosowaniu do płaskich części metalowych, to bardziej bezpośrednie zastosowanie do drutów nie ma sensu, gdyż z definicji nie gwarantuje uzyskania jednorodnej struktury, a co za tym idzie identycznych właściwości na obwód (z dowolnie zorientowanym promieniem) drutu. Z tego powodu w artykule wykorzystano nowo opracowaną, oryginalną metodę CDT przeznaczoną dla cienkich drutów, opartą na ciągłym wielostronnym zginaniu ze ścinaniem.

Ryc. 1 Schemat procesu mechanicznego treningu drutów:1 drut wolframowy,2 cewka z drutem do odwinięcia,3 system sześciu obrotowych matryc,4 cewka uzwojenia,5 złamać wagę i6 hamulec (stalowy cylinder otoczony opaską z brązu cynowego)

2. Eksperymentuj

CDT drutu wolframowego o średnicy 200 µm przeprowadzono na specjalnie skonstruowanym urządzeniu badawczym, którego schemat pokazano na rys. 1. Drut odwinięty (1) z cewki

(2) o średnicy 100 mm, wprowadzono do układu sześciu matryc (3), z otworami o tej samej średnicy co drut, które są osadzone we wspólnej obudowie i obracają się wokół osi z prędkością 1350 obr/min. min. Po przejściu przez urządzenie drut nawinął się na cewkę (4) o średnicy 100 mm obracającą się z prędkością 115 obr/min. Zastosowane parametry decydują o tym, że prędkość liniowa drutu względem obracających się matryc wynosi 26,8 mm/obr.

Odpowiednia konstrukcja układu matryc spowodowała, że ​​co druga matryca obracała się mimośrodowo (rys. 2), a każdy kawałek drutu przechodzący przez obracające się matryce poddawany był ciągłemu, wielostronnemu zginaniu z ścinaniem indukowanym przez prasowanie na krawędzi wewnętrznej powierzchni matryc.

Rys. 2 Schematyczne rozmieszczenie matryc obrotowych (oznaczonych numerem3 na ryc. 1)

Rys. 3 Układ matryc: widok ogólny; b podstawowe części:1 matryce centryczne,2 ekscentryczne umiera,3 pierścienie dystansowe

Rozwinięty drut poddawany był działaniu naprężeń początkowych w wyniku przyłożenia naprężenia, co nie tylko zabezpiecza go przed splątaniem, ale także warunkuje wzajemne uczestnictwo odkształceń zginających i ścinających. Było to możliwe dzięki hamulcowi zamontowanemu na cewce w postaci dociskanego odważnikiem paska z brązu cynowego (oznaczonego jako 5 i 6 na rys. 1). Rysunek 3 przedstawia wygląd urządzenia treningowego po złożeniu oraz każdy z jego elementów. Trening drutów przeprowadzono przy użyciu dwóch różnych ciężarów:

4,7 i 8,5 N, przez zestaw matryc przechodzi aż cztery. Naprężenia osiowe wynosiły odpowiednio 150 i 270 MPa.

Próbę rozciągania drutu (zarówno w stanie wyjściowym, jak i po wytrenowaniu) przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Zwick Roell. Długość pomiarowa próbek wynosiła 100 mm, a szybkość odkształcania przy rozciąganiu

8×10⁻³ s⁻¹. W każdym przypadku jeden punkt pomiarowy (dla każdego

wariantów) reprezentuje co najmniej pięć próbek.

Test TT przeprowadzono na specjalnej aparacie, którego schemat przedstawiono na ryc. 4 zaprezentowanym wcześniej przez Bochniaka i in. (2010). Środek drutu wolframowego (1) o długości 1 m umieszczono w zaczepie (2), a następnie jego końce po przejściu przez rolki prowadzące (3) i zamocowaniu ciężarków (4) o wartości 10 N każdy, zostały zablokowane w zacisku (5). Ruch obrotowy zaczepu (2) powodował nawinięcie dwóch kawałków drutu

(nawiniętych na siebie) z nieruchomymi końcami badanej próbki prowadzono przy stopniowym zwiększaniu naprężeń rozciągających.

Wynikiem testu była liczba skrętów (N_T) potrzebne do przerwania drutu i zwykle występowały na przodzie powstałej plątaniny, jak pokazano na rys. 5. Dla każdego wariantu przeprowadzono co najmniej dziesięć testów. Po treningu drut miał lekko falisty kształt. Należy podkreślić, że według prac Bochniaka i Pieły (2007) [4] oraz Filipka (2010)

[5] próba TT jest prostą, szybką i tanią metodą określania właściwości technologicznych drutów przeznaczonych na uzwojenia.

Rys. 4 Schemat testu TT:1 testowany przewód,2 zaczep obracany silnikiem elektrycznym, sprzężony z urządzeniem rejestrującym skręt,3 rolki prowadzące,4ciężarki,5 szczęki zaciskające końce drutu

3. Wyniki

Wpływ naprężenia początkowego i liczby przejść w procesie CDT na właściwości drutów wolframowych przedstawiono na rys. 6 i 7. Duży rozrzut uzyskanych parametrów mechanicznych drutu ilustruje skalę niejednorodności materiału otrzymanego technologią proszkową, dlatego też przeprowadzona analiza koncentruje się na trendach zmian badanych właściwości, a nie na ich wartościach bezwzględnych.

Handlowy drut wolframowy charakteryzuje się średnią wartością granicy plastyczności (YS) równą 2026 MPa, wytrzymałością na rozciąganie (UTS) 2294 MPa, wydłużeniem całkowitym

A≈2,6% i N_Taż 28. Niezależnie od

wielkość przyłożonego napięcia, CDT powoduje tylko niewielką

spadek UTS (nieprzekraczający 3% dla drutu po czterech przejściach), a także YS iA pozostają względnie na tym samym poziomie (ryc. 6a – c i 7a – c).

Rys. 5 Widok drutu wolframowego po pęknięciu w teście TT

Ryc. 6 Efekt treningu mechanicznego (liczba przejść n) na mechaniczne (a–c) i technologiczne (d) (zdefiniowane przez N_Tw teście TT) właściwości drutu wolframowego; dołączona wartość masy 4,7 N

CDT zawsze prowadzi do znacznego wzrostu liczby skrętów drutu N_T. W szczególności przez pierwsze dwa przebiegi N_Tosiąga ponad 34 dla naprężenia 4,7 N i prawie 33 dla naprężenia 8,5 N. Stanowi to wzrost o około 20% w stosunku do drutu komercyjnego. Zastosowanie większej liczby przejść prowadzi do dalszego wzrostu N_Ttylko w przypadku treningu pod napięciem 4,7 N. Drut po czterech przejściach wykazuje średnią wielkość N_Tprzekraczającą 37, co w porównaniu do drutu w stanie wyjściowym oznacza wzrost o ponad 30%. Dalsze trenowanie drutu przy wyższych naprężeniach nie powodowałoby już zmiany wielkości wcześniej osiągniętego N_Twartości (rys. 6d i 7d).

4. Analiza

Uzyskane wyniki pokazują, że zastosowana metoda CDT drutu wolframowego praktycznie nie zmienia jego parametrów mechanicznych określonych w próbach rozciągania (nastąpił jedynie nieznaczny spadek wytrzymałości na rozciąganie), ale znacznie zwiększa jego

właściwości technologiczne przeznaczone do produkcji spiral; jest to reprezentowane przez liczbę skrętów w teście TT. Potwierdza to wyniki wcześniejszych badań Bochniaka i Pieły (2007)

[4] na temat braku zbieżności wyników próby rozciągania z obserwowanym zachowaniem drutów w procesie wytwarzania spiral.

Reakcja drutów wolframowych na proces CDT w znacznym stopniu zależy od zastosowanego napięcia. Przy małej sile naprężającej obserwuje się paraboliczny wzrost liczby skrętów wraz z liczbą przejść, natomiast zastosowanie większych wartości naprężenia prowadzi (już po dwóch przejściach) do osiągnięcia stanu nasycenia i stabilizacji uzyskanego wcześniej stanu technologicznego właściwości (ryc. 6d i 7d).

Tak zróżnicowana reakcja drutu wolframowego podkreśla fakt, że wielkość naprężenia determinuje ilościową zmianę zarówno stanu naprężenia, jak i stanu odkształcenia materiału, a w konsekwencji jego zachowania sprężysto-plastycznego. Stosowanie wyższego naprężenia podczas procesu gięcia plastycznego drutu przechodzącego pomiędzy kolejnymi niewyrównanymi matrycami skutkuje mniejszym promieniem gięcia drutu; stąd odkształcenie plastyczne w kierunku prostopadłym do osi drutu odpowiedzialnego za mechanizm ścinania jest większe i prowadzi do miejscowego płynięcia plastycznego w pasmach ścinania. Z kolei niskie napięcie powoduje, że proces CDT drutu przebiega z większym udziałem odkształcenia sprężystego (czyli mniejsza część odkształcenia plastycznego), co sprzyja dominacji odkształceń jednorodnych. Sytuacje te wyraźnie różnią się od sytuacji występujących podczas próby jednoosiowego rozciągania.

Należy również zaznaczyć, że CDT poprawia właściwości technologiczne jedynie drutów o wystarczającej jakości, tj. bez istotnych wad wewnętrznych (porów, pustek, nieciągłości, mikropęknięć, braku wystarczającej ciągłości przyczepności na granicach ziaren itp.). .) powstałe w wyniku produkcji drutu metodą metalurgii proszków. W przeciwnym razie wzrastający rozrzut uzyskanej wartości skrętów N_Twraz ze wzrostem liczby przejść wskazuje na pogłębiające się zróżnicowanie struktury drutu w poszczególnych jego częściach (na długości), może więc służyć także jako przydatne kryterium oceny jakości drutu handlowego. Problemy te będą przedmiotem przyszłych badań.

Ryc. 7 Efekt treningu mechanicznego (liczba przejść n) na mechaniczne (a–c) i technologiczne (d) (zdefiniowane przez N_Tw teście TT) właściwości drutu wolframowego; dołączona wartość ciężaru 8,5 N

5. Wnioski

1, CDT drutów wolframowych poprawia ich właściwości technologiczne określone w próbie skręcania z rozciąganiem przez N_Tprzed pękaniem.

2, wzrost N_Twskaźnik o około 20% osiąga drut poddany dwóm seriom CDT.

3, Wielkość naprężenia drutu w procesie CDT ma istotny wpływ na jego właściwości technologiczne określone wartością N_Tindeks. Największą wartość uzyskał drut poddany niewielkiemu rozciąganiu (naprężeniu rozciągającemu).

4, Stosowanie zarówno większego rozciągania, jak i większej liczby cykli wielostronnego zginania ze ścinaniem nie jest uzasadnione, gdyż skutkuje jedynie stabilizacją wcześniej osiągniętej wartości N_Tindeks.

5, Znaczącej poprawie właściwości technologicznych drutu wolframowego CDT nie towarzyszy zmiana parametrów mechanicznych określonych w próbie rozciągania, co potwierdza utrzymywane przekonanie o małej przydatności takiej próby do przewidywania zachowania technologicznego drutu.

Uzyskane wyniki eksperymentów wskazują na przydatność CDT drutu wolframowego do produkcji spiral. W szczególności, bazując na metodzie sukcesywnego zwiększania długości drutu, cykliczne, wielokierunkowe zginanie przy niewielkich odkształceniach powoduje relaksację naprężeń wewnętrznych. Z tego powodu istnieje ograniczenie tendencji do pękania drutu podczas plastycznego formowania spiral. W rezultacie potwierdzono, że zmniejszenie ilości odpadów w warunkach produkcyjnych zwiększa efektywność procesu produkcyjnego poprzez eliminację przestojów zautomatyzowanych urządzeń produkcyjnych, w których po przerwaniu drutu należy „ręcznie” uruchomić wyłącznik awaryjny przez operatora.