1. Introdução

Fios de tungstênio, com espessura de vários a dezenas de micrômetros, são moldados plasticamente em espirais e usados ​​para fontes de luz incandescentes e de descarga. A fabricação do fio é baseada na tecnologia do pó, ou seja, o pó de tungstênio obtido por processo químico é submetido sucessivamente à prensagem, sinterização e conformação plástica (forjamento rotativo e trefilação). Observe que o processo de enrolamento do fio precisa resultar em boas propriedades plásticas e elasticidade “não muito alta”. Por outro lado, devido às condições de exploração das espirais e, sobretudo, à elevada resistência à fluência exigida, os fios recristalizados não são adequados para a produção, especialmente se tiverem uma estrutura de granulação grossa.

Modificar as propriedades mecânicas e plásticas dos materiais metálicos, em particular, reduzir o forte endurecimento por trabalho sem tratamento de recozimento é possível utilizando treinamento mecânico. Este processo consiste em submeter o metal a deformações repetidas, alternadas e de baixa plasticidade. Os efeitos da contraflexão cíclica nas propriedades mecânicas dos metais estão documentados, entre outros, no artigo de Bochniak e Mosor [1], aqui usando tiras de bronze e estanho CuSn 6,5%. Foi demonstrado que o treinamento mecânico leva a uma suavização do trabalho.
Infelizmente, os parâmetros mecânicos dos fios de tungstênio determinados em testes simples de tração uniaxial são insuficientes para prever o seu comportamento no processo de produção de espirais. Esses fios, apesar de propriedades mecânicas semelhantes, são frequentemente caracterizados por suscetibilidades significativamente diferentes ao enrolamento. Portanto, ao avaliar as características tecnológicas do fio de tungstênio, os resultados dos seguintes testes são considerados mais confiáveis: enrolamento do fio central, torção unidirecional, compressão em ponta de faca, dobra e estiramento ou banda reversível [2] . Recentemente, foi proposto um novo teste tecnológico [3], no qual o fio é submetido à torção e à tração simultâneas (ensaio TT), e o estado de tensão, na opinião dos autores, é próximo daquele que ocorre no processo de produção. dos filamentos. Além disso, os resultados dos testes de TT realizados em fios de tungstênio com diferentes diâmetros mostraram sua capacidade de antecipar seu comportamento posterior durante processos tecnológicos [4, 5].

O objetivo do trabalho aqui apresentado é responder à questão de saber se, e se, em que medida o uso do tratamento de deformação cíclica (CDT) em fio de tungstênio por flexão multilateral contínua com método de cisalhamento [6], pode modificar seus aspectos mecânicos e tecnológicos. propriedades importantes.

De um modo geral, a deformação cíclica dos metais (por exemplo, por tensão e compressão ou flexão bilateral) pode ser acompanhada por dois processos estruturais diferentes. A primeira é característica para deformações com pequenas amplitudes e

envolve os chamados fenômenos de fadiga, resultando na transformação de um metal fortemente endurecido por trabalho em um metal amolecido por deformação antes que ocorra sua destruição [7].

O segundo processo, dominante durante a deformação com amplitudes de alta deformação, produz forte heterogeneização de bandas de cisalhamento geradoras de fluxo plástico. Consequentemente, ocorre uma fragmentação drástica da estrutura metálica, em especial, a formação de grãos nanométricos, aumentando assim significativamente suas propriedades mecânicas em detrimento da trabalhabilidade. Tal efeito é obtido, por exemplo, no método de ondulação e endireitamento contínuo e repetitivo desenvolvido por Huang et al. [8], que consiste na passagem (laminação) múltipla e alternada de tiras entre os rolos “engrenados” e lisos, ou de forma mais sofisticada, que é um método de flexão contínua sob tensão [9], onde a tira esticada é contraflexo devido a um movimento reversível ao longo de seu comprimento de conjunto de rolos giratórios. É claro que a extensa fragmentação de grãos também pode ser obtida durante a deformação monotônica com grandes deformações, usando os chamados métodos de Deformação Plástica Severa, em particular, métodos de Extrusão Angular de Canal Igual [10], que na maioria das vezes satisfazem as condições para simples cisalhamento de metal. Infelizmente, eles são usados ​​principalmente em escala laboratorial e não é tecnicamente possível

utilizá-los para obter propriedades mecânicas específicas de tiras ou fios longos.

Algumas tentativas também foram feitas para avaliar a influência da variação cíclica do cisalhamento aplicado com pequenas deformações unitárias na capacidade de ativar os fenômenos de fadiga. Os resultados de estudos experimentais realizados [11] em tiras de cobre e cobalto por contraflexão com cisalhamento confirmaram a tese acima. Embora o método de contraflexão com cisalhamento seja bastante fácil de ser aplicado em peças metálicas planas, a aplicação mais direta para fios não faz sentido, pois, por definição, não garante a obtenção de estrutura homogênea e, portanto, propriedades idênticas em a circunferência (com raio orientado arbitrariamente) do fio. Por esta razão, este artigo utiliza um método CDT recém-formado e original projetado para fios finos, baseado em flexão multilateral contínua com cisalhamento.

Figura 1 Esquema do processo de treinamento mecânico dos fios:1 fio de tungstênio,2 bobina com fio para desenrolar,3 sistema de seis matrizes rotativas,4 bobina de enrolamento,5 quebrar peso e6 freio (cilindro de aço com uma faixa de bronze estanho ao redor)

2. Experimente

O CDT do fio de tungstênio com diâmetro de 200 μm foi realizado em um dispositivo de teste especialmente construído, cujo esquema é mostrado na Fig. 1. Fio desenrolado (1) da bobina

(2) com diâmetro de 100 mm, foi introduzido em um sistema de seis matrizes (3), com furos de mesmo diâmetro do fio, que são fixados em um alojamento comum e giram em torno do eixo a uma velocidade de 1.350 rev/ min. Após passar pelo dispositivo, o fio foi enrolado na bobina (4) com diâmetro de 100 mm girando a uma velocidade de 115 rev/min. Os parâmetros aplicados determinam que a velocidade linear do fio em relação às matrizes rotativas é de 26,8 mm/rev.

O projeto apropriado do sistema de matrizes significava que cada segunda matriz girava excentricamente (Fig. 2), e cada pedaço de fio que passava pelas matrizes rotativas era submetido a flexão multilateral contínua com cisalhamento induzido por passagem a ferro na borda da superfície interna das matrizes.

Fig. 2 Layout esquemático das matrizes rotativas (rotuladas com o número3 na Figura 1)

Fig. 3 Sistema de matrizes: visão geral; b partes básicas:1 morte centrada,2 excêntrico morre,3 anéis espaçadores

O fio desenrolado estava sob influência da tensão inicial devido à aplicação de tensão, o que não apenas o protege do emaranhamento, mas também determina a participação mútua de flexão e deformação por cisalhamento. Isto foi possível graças ao freio montado na bobina na forma de uma tira de bronze-estanho pressionada por um peso (designado como 5 e 6 na Fig. 1). A Figura 3 mostra o aspecto do dispositivo de treinamento quando dobrado, e cada um de seus componentes. O treinamento dos fios foi realizado com dois pesos diferentes:

4,7 e 8,5 N, até quatro passagens pelo conjunto de matrizes. A tensão axial foi respectivamente de 150 e 270 MPa.

O teste de tração do fio (no estado inicial e treinado) foi realizado na máquina de testes Zwick Roell. O comprimento padrão das amostras foi de 100 mm e a taxa de deformação por tração foi

8×10⁻³ s⁻¹. Em cada caso, um ponto de medição (para cada

das variantes) representa pelo menos cinco amostras.

O teste TT foi realizado em um aparelho especial cujo esquema é mostrado na Figura 4 apresentada anteriormente por Bochniak et al. (2010). O centro do fio de tungstênio (1) com comprimento de 1 m foi colocado em uma trava (2), e em seguida suas extremidades, após passar pelos rolos guia (3), e fixar pesos (4) de 10 N cada, foram bloqueados em uma pinça (5). O movimento giratório da trava (2) resultou no enrolamento de dois pedaços de fio

(enrolados sobre si mesmos), com extremidades fixas da amostra testada, foi realizado com aumento gradativo das tensões de tração.

O resultado do teste foi o número de voltas (N_T) precisava romper o fio e geralmente ocorria na parte frontal do emaranhado formado, conforme mostrado na Fig. 5. Foram realizados pelo menos dez testes por variante. Após o treino, o fio ficou com formato levemente ondulado. Deve-se enfatizar que de acordo com os artigos de Bochniak e Pieła (2007) [4] e Filipek (2010)

[5] o teste TT é um método simples, rápido e barato para determinar as propriedades tecnológicas de fios destinados ao enrolamento.

Figura 4 Esquema do teste TT:1 fio testado,2 captura girada por um motor elétrico, acoplado ao dispositivo de gravação de torção,3 rolos de guia,4pesos,5 mandíbulas que prendem as pontas do fio

3. Resultados

O efeito da tensão inicial e do número de passes no processo CDT nas propriedades dos fios de tungstênio são mostrados nas Figs. 6 e 7. Uma grande dispersão dos parâmetros mecânicos obtidos do fio ilustra a escala de heterogeneidade do material obtido pela tecnologia de pó e, portanto, a análise realizada concentra-se nas tendências de alterações das propriedades testadas e não nos seus valores absolutos.

O fio de tungstênio comercial é caracterizado por valores médios de tensão de escoamento (YS) iguais a 2.026 MPa, resistência à tração final (UTS) de 2.294 MPa, alongamento total de

A≈2,6% e o N_Taté 28. Independentemente do

magnitude da tensão aplicada, o CDT resulta em apenas uma pequena

diminuição de UTS (não excedendo 3% para o fio após quatro passagens), e tanto YS quantoA permanecem relativamente no mesmo nível (Figs. 6a – c e 7a – c).

Fig. 5 Vista do fio de tungstênio após fratura no teste TT

Fig. 6 Efeito do treinamento mecânico (número de passes m) em mecânico (a – c) e tecnológico (d) (definido por N_Tno teste TT) propriedades do fio de tungstênio; valor de peso anexado de 4,7 N

CDT sempre leva a um aumento significativo no número de torções do fio N_T. Em particular, para as duas primeiras passagens, N_Tatinge mais de 34 para uma tensão de 4,7 N e quase 33 para uma tensão de 8,5 N. Isto representa um aumento de aproximadamente 20% em relação ao fio comercial. Aplicar um número maior de passes leva a um aumento adicional em N_Tsomente no caso de treinamento sob tensão de 4,7 N. O fio após quatro passagens apresenta a magnitude média de N_Tsuperior a 37, o que, comparado ao fio em estado inicial, representa um aumento de mais de 30%. O treinamento adicional do fio em tensões mais altas não alteraria mais a magnitude do N alcançado anteriormente._Tvalores (Figs. 6d e 7d).

4. Análise

Os resultados obtidos mostram que o método utilizado para o fio de tungstênio CDT praticamente não altera seus parâmetros mecânicos determinados nos ensaios de tração (houve apenas uma ligeira diminuição na resistência última à tração), mas aumentou significativamente sua

propriedades tecnológicas destinadas à produção de espirais; isso é representado pelo número de torções no teste TT. Isto confirma os resultados de estudos anteriores de Bochniak e Pieła (2007)

[4] sobre a falta de convergência dos resultados dos ensaios de tração com o comportamento observado dos fios no processo de produção de espirais.

A reação dos fios de tungstênio no processo CDT depende significativamente da tensão aplicada. Na força de baixa tensão, observa-se um crescimento parabólico do número de torções com o número de passes, enquanto a aplicação de maiores valores de tensão leva (já após dois passes) a atingir o estado de saturação e a estabilização dos valores tecnológicos previamente obtidos. propriedades (Figs. 6d e 7d).

Uma resposta tão diversificada do fio de tungstênio sublinha o fato de que a magnitude da tensão determina a mudança quantitativa tanto do estado de tensão quanto do estado de deformação do material e, conseqüentemente, seu comportamento elástico-plástico. Usar tensão mais alta durante o processo de dobra plástica no fio que passa entre sucessivas matrizes desalinhadas resulta em um raio de curvatura menor; portanto, a deformação plástica em uma direção perpendicular ao eixo do fio responsável pelo mecanismo de cisalhamento é maior e leva a um fluxo plástico localizado nas bandas de cisalhamento. Por outro lado, a baixa tensão faz com que o processo CDT do fio ocorra com maior participação da deformação elástica (ou seja, a parte da deformação plástica é menor), o que favorece o domínio da deformação homogênea. Estas situações são distintamente diferentes daquelas que ocorrem durante o teste de tração uniaxial.

Deve-se notar também que o CDT melhora as características tecnológicas apenas para fios com qualidade suficiente, ou seja, sem defeitos internos significativos (poros, vazios, descontinuidades, microfissuras, falta de adesão de continuidade suficiente nos limites dos grãos, etc. .) resultantes da produção de arame pela metalurgia do pó. Caso contrário, a dispersão crescente do valor obtido das torções N_Tjuntamente com um aumento no número de passagens indica uma diferenciação cada vez maior da estrutura do fio em suas diversas partes (em comprimento), portanto também pode servir como um critério útil para avaliar a qualidade de um fio comercial. Esses problemas serão objeto de investigações futuras.

Fig. 7 Efeito do treinamento mecânico (número de passes m) em mecânico (a – c) e tecnológico (d) (definido por N_Tno teste TT) propriedades do fio de tungstênio; valor de peso anexado de 8,5 N

5. Conclusões

1, CDT de fios de tungstênio melhora suas propriedades tecnológicas, conforme definido no teste de torção com tensão por N_Tantes de fraturar.

2, O aumento do N_Tíndice em cerca de 20% é alcançado por um fio submetido a duas séries de CDT.

3， A magnitude da tensão do fio no processo de CDT tem um impacto significativo em suas propriedades tecnológicas definidas pelo valor do N_Tíndice. Seu maior valor foi alcançado por um fio submetido a leve tensão (tensão de tração).

4, Usar tanto maior tensão quanto mais ciclos de flexão multilateral com cisalhamento não se justifica porque apenas resulta na estabilização do valor previamente alcançado do N_Tíndice.

5, A melhoria significativa das propriedades tecnológicas do fio de tungstênio CDT não é acompanhada por uma alteração dos parâmetros mecânicos determinados no teste de tração, confirmando a crença na baixa usabilidade de tal teste para antecipar o comportamento tecnológico do fio.

Os resultados experimentais obtidos demonstram a adequação do CDT do fio de tungstênio para a produção de espirais. Em particular, com base no método utilizado para avançar sucessivamente o comprimento do fio, a flexão cíclica e multidirecional com pouca tensão provoca o relaxamento das tensões internas. Por esta razão, há uma restrição à tendência de rompimento do fio durante a conformação plástica das espirais. Como resultado, foi confirmado que a redução da quantidade de desperdício nas condições de fabricação aumenta a eficiência do processo produtivo, eliminando o tempo de inatividade de equipamentos de produção automatizados nos quais, após a ruptura do fio, uma parada de emergência deve ser acionada “manualmente”. pela operadora.