автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка технологии волочения проволоки с полимерным защитным покрытием

' J

МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА

БАРЫШНИКОВ МИХАИЛ ПАВЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ С ПОЛИМЕРНЫМ ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата

технических наук

05.16.05 - Обработка металлов давлением

На правах рукописи

Научный руководитель кандидат технических наук доцент Чукин М.В.

Научный консультант доктор технических наук, профессор ГУН Г.С.

Магнитогорск -1999

оглавление

стр.

Введение.,,..............................,.....,,........„...,...„.„.4

1. Анализ процессов получения проволоки

с покрытиями.......................................................................................7

1.1. Анализ и классификация композиционных покрытий

применяемых в метизной промышленности.......................7

1.2. Классификация и свойства фторсодержащих полимерных материалов...........__________________________________.. ..._____________^...13

1.3. Особенности волочения слоистых материалов..................25

1.4. Постановка задач исследований......................................... „33"'

2. Аналитическое описание изменения профиля

межслойной границы при волочении проволоки с полимерным покрытием...__________________________________________..36

2.1. Общие геометрические параметры очага деформации

при описании микрогеометрии межслойной границы..........36

2.2. Изменение профиля микронеровностей при волочении проволоки ___.._____________________________________________________________________________41

2.3. Аналитическое исследование изменения микрогеометрии межслойной границы по длине очага деформации.________....57

2.4. Выводы по главе ...................,...................................62

3. Исследование кинематических параметров и

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ

ВОЛОЧЕНИИ ПРОВОЛОКИ С ПОКРЫТИЕМ____________________________________________63

3.1. Кинематика очага деформации при волочении проволоки

с покрытием............................................................63

3.2. Напряженно-деформированное состояние проволоки

с покрытием при волочении_____________________..._______________________________69

3.4. Анализ изменения кинематических параметров и напряженно-деформирванного состояния проволоки с покрытием при волочении....76 3.4. Оценка адекватности математической модели..................89

3.5. Определение реологической модели деформирования политетрафторэтилена и исследование механических свойств покрытий на его основе.....................................92

3.6. Выводы по главе_______________________..._________________________________________________95

4. Исследование закономерностей процесса деформации металл-фторопластовых композиций при волочении................................................................97

4.1. Выбор критериев устойчивости покрытий при волочении слоистых систем ..........._________________________________________________..97

4.2. Оценка устойчивости и механизм деформации полимерного покрытия при волочении..............................................ТОО

4.3. Анализ влияния технологических параметров процесса волочения на напряженное состояние в "полимерных карманах" очага деформации....................................................109

. Л _ АЛА

4.4 Выводы по главе ------.-----------------------------------------------. ¿-------\ч

5. Разработка технологии производства проволоки с полимерным покрытием..-------------------------------------------.......115

5.1. Подготовка поверхности под нанесение покрытия............117

5.2. Формирование полимерного слоя.................................126

5.3. Термическая обработка покрытия___________________________________________128

5.4. Волочение проволоки с фторполимерным покрытием...—134

5.5. Выводы по главе..........................................................140

v^ctKinюснио в.■ • ■ ■ -п,... . »« г« » ■ > « » • ■ «■»«■■ « • ■ ■ ■. «« ».« . ■.««.■«■ ■ ■ 11. ¿ < ■ ■" "1.

Список литературы „„..„................,,142

Поиложения...................................................,...................150

Введение

Повышение качественных показателей, позволяющее обеспечить максимальную надежность и долговечность метизной продукции, в сочетании со снижением себестоимости производства является актуальной задачей для всех метизных заводов. Из широкой номенклатуры продукции, производимой метизными предприятиями, существенную долю составляет проволока различного назначения. При этом, наибольшим спросом потребителей, в последнее время, пользуется проволока со специальными защитными покрытиями. Поэтому, большое значение приобретает совершенствование технологических методов нанесения покрытий различного назначения, что обусловлено целесообразностью использования конструктивно равноценных и более высококачественных изделий из слоистых материалов.

В настоящее время производство проволоки с покрытиями осуществляется двумя основными технологическими схемами:

- формирование покрытия на конечные геометрические размер и форму изделия;

- нанесение материала покрытия на заготовку с последующей деформацией слоистой композиции до готового размера.

В качестве материалов покрытия широкое распространение получили металлы и сплавы на их основе. Известны различные способы их нанесения на проволоку: из расплавов, электролитические способы, нанесение покрытий из порошковых сред и др. Однако, новые экономические условия предъявляют жесткие требования к себестоимости производства проволоки с покрытиями, что делает особенно актуальной задачу выбора альтернативных материалов покрытий взамен дорогостоящих и дефицитных цветных металлов.

Поэтому прогрессивным направлением в проблеме придания метизным изделиям специальных свойств является использование в качестве покрытий полимерных материалов. В настоящее время существует достаточно много способов нанесения полимерных покрытий. Однако, в силу технологических особенностей их формирования на готовый размер, полимерные покрытия на проволоке обладают рядом отрицательных свойств: остаточная пористость, значительная разнотолщинность формируемых поверхностных слоев, относительно низкий уровень адгезии и др. Поэтому для увеличения уровня функциональных свойств таких покрытий целесообразно проводить дополнительное волочение слоистой системы. В процессе волочения происходит увеличение точности геометрических размеров композиций, придание требуемого уровня защитных свойств, повышение адгезионных показателей покрытия.

Технологический процесс нанесения покрытий на проволоку включает операцию подготовки поверхности, при которой формируются опре-деленны^ свойства межслойной границы. Во многих случаях параметры шероховатости соизмеримы с толщиной наносимых покрытий, что оказывает существенное влияние на процесс деформирования слоистой композиции.

Анализ технологических процессов обработки давлением слоистых материалов показывает, что в процессе волочения композиций с существенной разницей механических свойств элементов системы возникает проблема обеспечения устойчивости процесса^ т.е. волочения композиции без образования дефектов покрытия.

В соответствии с этим, целью настоящих исследований являлась разработка технологии производства проволоки с защитным полимерным покрытием, где в качестве основной операции используется волочение проволоки с покрытием.

В диссертационной работе решались следующие задачи:

- разработка технологии производства проволоки с полимерным покрытием с последующим волочением;

- теоретический анализ изменения микрогеометрии поверхности проволоки при волочении проволоки с полимерным покрытием;

- определение кинематических закономерностей и напряженного состояния при волочении сталь-полимерных композиций;

- оценка технологий волочения проволоки с полимерным покрытием по критериям устойчивости покрытий.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке математической модели определения кинематических параметров и напряженного состояния материалов композиции при волочении проволоки с полимерными покрытиями;

- разработке математической модели изменения микрогеометрии межслойной поверхности при волочении металл-полимерных композиций;

- разработке и обосновании критериев кинематической и когезион-ной устойчивости полимерных покрытий при волочении;

- обосновании четырехстадийного механизма процесса деформации металл-полимерной композиции при волочении.

1. Анализ процессов получения проволоки с покрытиями

Среди известных способов придания изделиям специальных свойств широкое распространение получили технологии формирования покрытий специального назначения. В связи с этим большое внимание уделяется расширению номенклатуры используемых материалов, совершенствованию технологических методов нанесения покрытий, а также способам дополнительной обработки композиционных систем.

1.1. Анализ и классификация композиционных покрытий, применяемых в метизной промышленности

Для анализа композиционных покрытий функционального назначения, применяемых в метизной промышленности, целесообразно выделить три основных показателя классификации /2, 3/:

- область применения объекта с покрытием;

- конструкция покрытия, вид и состояние материала (материалов) покрытия;

- способ формирования поверхностного слоя.

Первый критерий классификации характеризует комплекс свойств объекта применительно к условиями эксплуатации. Для рассматриваемой области производства можно выделить две группы объектов по принципиально разным требованиям, предъявляемым к поверхностям.

К первой группе относится продукция метизных предприятий.

Повышенные требования, предъявляемые потребителями к качеству метизных изделий, ставят перед производителями метизов задачу решения комплекса проблем, связанных с увеличением эксплуатацией-

ных свойств готовых изделий (коррозионной стойкости, различных специальных свойств, внешнему виду и т.д.), а также повышения технико-экономических показателей производства.

Ко второй группе следует отнести детали и инструмент, применяемые при производстве метизов. Широкое использование высокоскоростного производительного оборудования при производстве метизной продукции остро ставит вопрос повышения эксплуатационной надежности инструмента и деталей машин, увеличения их межремонтного срока службы.

В настоящее время отсутствует систематизация параметров эксплуатационных воздействий на объекты с покрытиями. Это связано, прежде всего, с огромным количеством изделий, производимых метизной промышленностью, а также деталей и инструмента, применяемых в ней. Кроме того, каждый объект подвергается определенным, свойственным только ему, внешним воздействиям. Их классификация и систематизация требуют отдельных глубоких исследований и в данной работе не рассматриваются.

Под видом материала покрытия подразумевается материал, из которого создан компонент оболочки. По общепринятой системе классификаций все материалы можно разделить на две группы: металлы и неметаллы. Неметаллы, в свою очередь, подразделяются на керамические материалы и полимеры. В настоящее время в метизной промышленности в качестве покрытий используется широкий спектр металлических материалов: цинк, медь, алюминий, олово, свинец, никель, хром, титан и др., а также сплавы на их основе /1/.

Третий критерий определяет уровень формируемых свойств готовой продукции, а также технико-экономические показатели и эффективность производства изделий с покрытиями.

По механизму взаимодействия материалов композиционной систе-

мы покрытия и поверхности основы процессы нанесения покрытия можно условно разделить на группы: химические и электрохимические, физические, механические, а также их сочетания /4/. Целесообразно выделить в отдельную группу способы формирования покрытий с использованием обработки металлов давлением (прокатка, волочение, прессование и др.). Данные методы оказывают существенное влияние на свойства композиционных систем как на промежуточных стадиях процесса нанесения покрытий, так и при использовании процессов ОМД в качестве финишных операций /5/.

К химическим способам следует отнести, в первую очередь, диффузионный метод формирования поверхностных слоев, оксидирование и фосфатирование /5/. К электрохимическим - электролитическое осаждение материала покрытия. Из физических методов можно выделить горячее погружение в расплав материала покрытия, наплавку, вакуумное осаждение. К механическим способам, получившим распространение, относятся плакирование металлов /6, 7/ и напыление /4/.

При формировании металлических покрытий на проволоку, канаты и другие длинномерные изделия наиболее часто применяют способы формирования оболочек погружением изделия в расплав и электролитические методы. Если используется расплав присадочного материала, то способ носит название горячего погружения и чаще всего применяется для покрытия сталей относительно легкоплавкими металлами - цинком, оловом, алюминием, свинцом, кадмием и их сплавами 151.

Преимуществами горячего металлопогружения являются, по мнению авторов работы /13/, высокая производительность процесса, возможность нанесения покрытия на проволоку больших диаметров, увеличенная масса мотка готовой продукции, возможность изготовления проволоки с большим запасом прочности, а также снижение расхода электроэнергии и трудозатрат.

К преимуществам электролитического способа эти авторы относят, прежде всего, отсутствие ярко выраженных промежуточных слоев на границе "покрытие -основа". Слой покрытия отличается высокой степенью чистоты, обладает хорошей адгезией и эластичностью. Достоинством этого способа является большая химическая стойкость, возможность регулирования толщины оболочки, способ не влияет на механические свойства проволоки.

Прогрессивным направлением в проблеме придания метизным изделиям специальных поверхностных свойств является использование в качестве покрытий полимерных материалов. В настоящее время существует достаточно много известных способов формирования полимерных покрытий.

Широкое распространение при нанесении полимерных покрытий получил экструзионный способ, когда поперечному сечению покрываемого материала придают нужную форму путем п рода вливания его через профилирующий инструмент с одновременным формированием оболочки /3/. При этом полимерный материал, как правило, находится в расплавленном или вязком состоянии, а формирование оболочки совмещают с охлаждением. Однако, в настоящее время ограничен выбор легкоплавких, с низкой вязкостью расплава полимерных материалов. Чаще всего для такого процесса используются материалы на основе полиэтилена, который обладает рядом существенных недостатков: низкий ресурс долговечности, узкий диапазон рабочих температур и др.

Нанесение покрытий из порошковых полимерных материалов на проволоку осуществляют способами осаждения в электростатическом поле, нанесения в псевдоожиженном слое порошка, газопламенным напылением, струйным методом /9-12/. Последние два способа используют достаточно редко, в основном для проволоки больших диаметров.

Сущность способа нанесения покрытий в псевдоожиженном слое заключается в прохождении изделия, нагретого выше температуры плавления наносимого материала, через взвешенный (кипящий) слой порошка. Порошок обволакивает проходящее изделие, после чего оплавляют покрытие в печи. Для получения стабильного взвешенного слоя используются вихревые способы (продувка газом или воздухом), вибрационные методы (под действием механических или электромагнитных колебаний порошок переходит во взвешенное состояние) или их сочетание /9/. К недостаткам данного способа следует отнести сложность технологического оборудования и трудности в управлении параметрами процесса, прежде всего толщиной покрытия.

Метод нанесения порошковых материалов в электрическом поле основан на перемещении заряженных частиц к противоположно заряженному изделию и осаждении на его поверхности.

В последнее время достаточно широкое распространение получил способ электрофоретического осаждения полимерных покрытий. Он основан на свойстве материалов переходить из нерастворимого состояния в растворимое и обратно при сдвиге равновесия системы кислота-основание. После погружения изделия, являющегося электродом, и создания на нем потенциала, на его поверхности происходит электроосаждение или электрокоагуляция материала покрытия. Затем производят спекание (оплавление) сформированного слоя. Осаждение полимерного покрытия осуществляется под действием постоянного тока /1,9, 11/.

Известны способы нанесения покрытий из водных суспензий, когда изделие проходит через ванну, где происходит захват поверхностью полимерного материала. Затем производится термическая обработка, включающая в себя предварительную сушку для удаления водной составляющей и полимеризацию покрытия /3, 10/. В отличие от электрофоретического метода данный способ более прост, экологичен, менее

энергоемок. Однако, в настоящее время ограничен выбор промышленно выпускаемых полимерных суспензий.

Кроме перечисленных, известны способы формирования полимерных покрыт�