Моделирование и исследование процесса холодной сортовой прокатки в восьмигранных калибрах прутков из новых безникелевых сплавов серебра и золота

В настоящее время после экономического кризиса 2014 – 2015 гг. наблюдается
стабилизация международного и отечественного ювелирного рынка. При этом в связи со
снижением объема экспорта особую актуальность приобретают задачи повышения качества
ювелирной продукции отечественных производителей и ее соответствие зарубежным, в том
числе европейским, требованиям к безопасности. Так, например, Директива Европейского
Сообщества 76/769/ЕЕС запрещает производить и продавать ювелирные изделия и бижутерию,
содержащие более 0,05% никеля, что закрывает зарубежный рынок для отечественных
производителей, продукция которых не соответствует этим требованиям и уступает в
конкурентной борьбе из-за ее низкого качества.
Статистические исследования показывают, что среди потребителей ювелирной
продукции особой популярностью пользуются сплавы на основе золота и серебра. Так,
например, сплавы белого золота, содержащие никель, палладий или платину, серебро и цинк,
имеют благородный цвет и блеск и, благодаря сходству с дорогостоящими сплавами палладия и
платины, имеют меньшую стоимость. Вместе с тем растет спрос на изделия из серебра, как
драгоценного металла, имеющего наименьшую стоимость. В связи с этим целесообразным
является разработка новых сплавов на основе золота и серебра, соответствующих нормативным
документам ЕС, и внедрение их в производство.
Наиболее постоянным спросом, особенно на фоне нестабильной экономической
ситуации на рынке, пользуются такие виды продукции, как обручальные кольца, цепи и
браслеты-цепи. Лидером отечественного рынка по продажам ювелирных цепей из золота и
серебра является Красноярский завод цветных металлов имени В.Н. Гулидова (ОАО
«Красцветмет»). Анализ существующей технологии производства длинномерных
деформированных полуфабрикатов, применяемой на этом предприятии, показал, что она
обладает рядом недостатков, снижающих качество продукции, увеличивающих ее стоимость и
затраты на производство. Кроме того, до сих пор для изготовления ювелирных цепей
используются сплавы драгоценных металлов, содержащие в своем составе никель
Поэтому создание новых безникелевых ювелирных сплавов и совершенствование
технологий их обработки, а также проектирование технологических процессов и инструмента с
применением методов математического и физического моделирования, а также
специализированного программного обеспечения, является актуальной задачей.
Данная работа является продолжение комплекса исследований, проводимых учеными
института цветных металлов и материаловедения (ИЦМиМ) Сибирского федерального
университета (СФУ), и выполнена в рамках госбюджетных НИР «Исследование
закономерностей формирования фазового состава и структуры новых сплавов
многокомпонентных систем из драгоценных металлов и изучение их свойств» и «Создание
новых сплавов драгоценных металлов с повышенными эксплуатационными характеристиками
и исследование их свойств», проводимых по заданию Министерства образования и науки
Российской Федерации, а также по договору с ОАО «Красцветмет» по теме «Разработка
технологии изготовления золотого ювелирного сплава белого цвета 585 пробы, не содержащего
никель, и проволоки для изготовления цепей».
Целью является разработка комплекса научно-технологических решений, направленных
на повышение эффективности производства деформированных полуфабрикатов из сплавов
белого золота 585 пробы и серебра 925 пробы для ювелирных цепей.
На основании анализа научно-технической и патентной литературы были
сформулированы задачи для достижения поставленной цели:
1. Разработка ряда безникелевых сплавов белого цвета на основе золота 585 пробы и
серебра 925 пробы с повышенным уровнем механических и эксплуатационных свойств.
2. Решение задачи по определению формоизменения при холодной сортовой прокатке
прутков в восьмигранных калибрах с применением вариационного метода минимума полной
мощности.
3. Компьютерное и физическое моделирование процесса холодной сортовой прокатки в
восьмигранных калибрах прутков из новых сплавов драгоценных металлов.
4. Разработка алгоритмов, программного обеспечения и базы данных для анализа
существующих и проектирования новых режимов для производства длинномерных
деформированных полуфабрикатов из сплавов цветных металлов, в том числе и сплавов
драгоценных металлов.
5. Опытно-промышленная апробация результатов исследований в промышленных
условиях ОАО «Красцветмет».
Научная новизна полученных результатов исследований:
1. Разработана математическая модель формоизменения металла при холодной сортовой
прокатке прутков в восьмигранных калибрах и установлены закономерности его изменения в
заданном диапазоне безразмерных параметров процесса.
2. Созданы компьютерные модели прокатки в восьмигранных калибрах, с применением
которых рассчитаны и обоснованы технологические режимы деформации металла и
энергосиловые параметры процесса для новых сплавов серебра и золота.
3. Экспериментальным путем изучено влияние технологических режимов прокатки на
структуру и механические свойства деформированных полуфабрикатов из исследуемых
сплавов и установлены закономерности их изменения по сечению и длине прутков.
4. С применением методов математического и физического моделирования разработана
методика расчета деформационных и энергосиловых параметров процесса холодной сортовой
прокатки сплавов драгоценных металлов.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Разработаны и запатентованы составы новых безникелевых сплавов белого цвета на
основе золота 585 пробы (патенты РФ № 2586175 и № 2697142), серебра 925 пробы (патент РФ
№ 2513502) и способ модифицирования сплавов на основе золота (патент РФ № 2507284).
2. С применением методов математического планирования эксперимента получены
регрессионные зависимости для расчета прочностных свойств новых сплавов.
3. Созданы алгоритмы, программное обеспечение и база данных для проектирования
инструмента и технологии холодной сортовой прокатки прутков из сплавов драгоценных
металлов (свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015612273 и
базы данных № 2015620276).
4. Разработаны рациональные режимы холодной сортовой прокатки, обеспечивающие
повышенный уровень механических свойств деформированных полуфабрикатов из новых
безникелевых сплавов золота 585 пробы и серебра 925 пробы.
5. В условиях ОАО «Красцветмет» проведена опытно-промышленная апробация
разработанных технологий и получены опытные партии ювелирных цепей из новых
безникелевых сплавов белого золота 585 пробы с повышенным уровнем прочностных и
эксплуатационных свойств.
6. Результаты исследований внедрены в учебный процесс для подготовки бакалавров и
магистров по направлению Металлургия, а также аспирантов по специальности 05.16.05 –
Обработка металлов давлением.
Исследования выполнены с использованием основных законов обработки металлов
давлением, вариационных принципов механики деформируемого тела, методов планирования и
обработки опытных данных, экспериментальных методов исследования формоизменения и
энергосиловых параметров процесса деформации металла, методов определения механических
свойств путем испытаний на растяжение, универсальных металлографических методов
исследований структуры металла, систем объектно-ориентированного проектирования Delphi с
визуализацией расчетных данных и автоматизированного проектирования в программах
AutoCAD и SolidWorks, а также метода конечных элементов в программном комплексе
DEFORM-3D.
Положения, выносимые на защиту:
 математическая модель формоизменения металла при холодной сортовой прокатке в
восьмигранных калибрах;
 результаты экспериментальных исследований деформационных и энергосиловых
параметров сортовой прокатки новых безникелевых сплавов золота и серебра;
 результаты компьютерного моделирования процесса холодной сортовой прокатки
сплавов драгоценных металлов;
 программное обеспечение и методики для проектирования инструмента и технологии
изготовления длинномерных деформированных полуфабрикатов из сплавов драгоценных
металлов;
 технологические решения для получения длинномерных деформированных
полуфабрикатов ювелирного назначения из новых безникелевых сплавов золота и серебра.
Степень достоверности научных положений и полученных результатов обоснована
применением научно-обоснованных методов теоретических и экспериментальных
исследований, обработки результатов компьютерного моделирования и практической
реализацией полученных результатов в лабораторных условиях ИЦМиМ СФУ и
промышленных условиях ОАО «Красцветмет».
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на
Всероссийских и Международных научно-технических конференциях Сибирского
федерального университета (Красноярск, 2011-2016 гг.), Международных конгрессах «Цветные
металлы» (Красноярск, 2012-2019 гг.), Международной научно-технической конференция
«Современные технологии обработки материалов давлением: моделирование, проектирование,
производство» (Москва, 2013 г.), Международной молодежной научно-практической
конференции «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные
вопросы связи науки и производства» (Магнитогорск, 2015 г.), научно-практической
конференции «Миссия молодежи в науке» (Ростов-на-Дону, 2015 г.), Международной научно-
технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования»
(Магнитогорск, 2019 г.) и др.
Результаты диссертационной работы отражены в 41 печатном труде, 8 из которых
опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК, а также в 4
патентах РФ и 2 свидетельствах о государственной регистрации программного обеспечения.