автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Совершенствование процессов производства проволоки с покрытиями на основе анализа параметров волочения

На правах рукописи

РГБ ОД

1 О ФЕВ 1998

Кузнецов Евгений Иванович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ С ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ВОЛОЧЕНИЯ

Специальность 05.16.05 "Обработка металлов давлением"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 1998

Работа выполнена на ОАО "Магнитогорский калибровочный вавод".

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Чукин М.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Колмогоров Г.Л.

.кандидат технических наук, доцент Акцупов В.П.

Ведущее предприятие:

ОАО "Еелорецкий металлургический комбинат".

Зашита состоится "26" февраля 1993 г. в 15 и0 на заседании диссертационного совета Д 063.04.01 в Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина. 38, МГМА, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан "25" £>( 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук ' Селиванов В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современной тенденцией развития отечественного метизного производства является увеличение качественных показателей материалов, позволяющее обеспечить максимальную надежность и долговечность продукции.

Изменение структуры использования метизных изделий в современных условиях за счет увеличения удельного веса продукции, работающей в агрессивных средах, постоянного повышения требований к механическим свойствам и коррозионной стойкости вызывают необходимость применения нового подхода к решению задач улучшения качества данной продукции.

Воздействию агрессивных сред наиболее подвержены изделия с большой площадью поверхности контактирования, к которым относится проволока. Tai-;, площадь поверхности проволоки весом 1 т и диаметром 1 мм составляет 508 М". а площадь листа с тем же весом и толщиной 1 мм - 25? мг. Поэтому, наряду с созданием принципиально новых материалов, отвечающих возрастающим требованиям потребителя, большое значение приобретает совершенствование технологических ме-тодов поверхностной обработки проволоки.

Среди известных процессов поверхностного модифицирования различного класса метизной продукции особое место занимают способы формирования поверхностных слоев из специальных присадочных материалов. что позволяет в комплексе решать задачи придания требуемого уровня поверхностных свойств изделиям.

Известно много способов формирования металлических покрытий с заданными свойствами на проволоке, но наибольшее распространение получили способы формирования присадочных металлов (например, цинка) из расплавов.

Достаточно новым классом неметаллических материалов, применяемых в качестве защитных покрытий на метизах, являются полимеры. Обладая порой уникальным комплексом свойств, эти материалы не получили широкого применения в метизном производстве прежде всего из-за существенной разницы механических свойств по сравнению с металлами.

Однако, при всех очевидных достоинствах указанного метода практика показывает, что многие виды проволок, в том числе канатных, требуют дополнительной обработки давлением композиции с целые придания необходимого комплекса свойств готовым изделиям. При этом

возникает задача устойчивости процесса волочения бинарных систем, прежде всего с целью предотвращения разрушения поверхностного слоя.

Таким образом, проблема совершенствования процессов производства проволоки с покрытиями, где в качестве основной технологической операции используется волочение, является актуальной.

Цель работы. Совершенствование процессов производства проволоки с качественными бездефектными покрытиями на основе анализа устойчивости оболочек к отслоению при волочении слоистых композиций.

Научная новизна. Разработана математическая модель поведения оболочек при волочении слоистых композиций на границах внеконтакт-ных и пластических областей.

Предложен критерий статической устойчивости покрытий при волочении бинарных систем, представляющий собой отношение прочности сцепления покрытия к основе на сдвиг к величине сдвигающих напряжений на границах очага деформации.

Установлены области устойчивости оболочек к отслоению для материалов композиции, существенно отличающихся по механическим свойствам в зависимости от параметров волочения.

Осуществлена корректировка технологических маршрутов волоче• ния оцинкованной канатной проволоки по критерию статической устойчивости оболочек.

Разработан технологический процесс формирования полимерных покрытий на проволоку с последующим волочением композиции.

Практическая ценность. Получила теоретическое и экспериментальное развитие проблема производства качественных, бездефектных двухкомпонентных изделий с заданными свойствами.

Разработана новая технология, более экономически и технически выгодная до сравнению с существующей, на основе математической модели процесса волочения бинарных систем.

Проведен анализ поведения оболочек при деформации компонентов, позволяющий оценить уровень сцепления покрытия с основой и скорректировать технологию волочения проволоки с цинковым покрытием.

Реализован процесс волочения системы "сталь-полимер" на основе исследованной области устойчивости оболочек к отслоению для материалов композиции, существенно отличающихся по механическим

свойствам, в зависимости от параметров волочения.

На основании проведенных исследований усовершенствован комплексный технологический процесс волочения проволоки с покрытиями.

Реализация работы. Скорректированные маршруты волочения оцинкованной канатной проволоки реализованы в условиях ОАО "Магнитогорский калибровочный завод".

Разработанная технология формирования полимерных покрытий на проволоке с последующим ее волочением прошла апробацию в условиях ОАО "Череповецкий сталепрокатный завод", выпущена опытно-промышленная партия проволоки и сетки из данной проволоки.

В соответствии с технической программой повышения качественных показателей продукции п условиях ОАО "Магнитогорский калибровочный завод" на основании теоретических и экспериментальных исследований разработан комплекс мер по совершенствованию процессов стадийной обработки во всем технологическом цикле производства проволоки с покрытиями.

Методика определения устойчивости оболочек к отслоению в виде пакета прикладных программ используется в учебном процессе кафедры "Металловедение, качество и сервис металлургических и машиностроительных технологий" МГМА при подготовке дипломированных специалистов.

Апробация работы. Основные положения работы изложены и обсуждены на ежегодных традиционных научно-технических конференциях Магнитогорской государственной горно-металлургической академии км. Г.И. Носова с 1989 по 1997 г.; на научно-технических советах Мин-чермета, "Союзметиза" и ОАО "Магнитогорский калибровочный завод" с 1987 по 1997 г.; Международных и российских научно-технических конференциях: "Новые материалы и процессы", г. Бомбей, Индия, 1993 г.; "Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении", г. Иркутск. 1996 г.: "Теория и технология процессов пластической деформации-96", г. Москва, 1996 г.; "Актуальные проблемы материаловедения металлургии", г. Новокузнецк, 1997 г.; "Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства", г. Череповец, 1997 г.; на XVI Российской школе по проблеммам проектирования неоднородных конструкций, г. Миасс, 1997 г.

Публикации. Результаты работы отражены в 16 публикациях, в том числе 2 книгах, 7 авторских свидетельствах и патентах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, ваклю-

чения. Она содержит 178 с. машинописного текста, 48 рис., 33 табл. , список литературы из 35 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ способов формирования поверхностных слоев, дана классификация композиционных покрытий, применяемых в метизной промышленности.

Среди известных процессов модифицирования поверхностей различного класса изделий особое место занимают способы формирования поверхностных слоев из специальных присадочных материалов. Это позволяет е комплексе решать задачи защиты метизов от воздействия внешних условий при эксплуатации. При этом прогрессивным направлением является нанесение композиционных покрытий специального назначения .

При нанесении покрытия на проволоку, канаты и другие длинномерные изделия наибольшее распространение благодаря относительной простоте технологии получил горячий способ формирования покрытий. Он основан на погружении заготовки в расплавленный присадочный материал и применяется для покрытия сталей относительно легкоплавкими металлами - цинком, оловом, свинцом и их сплавами.

Нанесение покрытий из разных металлов на стальные изделия имеет свои особенности в силу различия свойств присадочных материалов. Поэтому способы формирования покрытий из различных металлов отличаются между собой, а выбор способа определяется требуемыми параметрами покрытия.

На предприятиях метизной промышленности в настоящее время широко используются методы горячего цинкования проволоки. Преимуществами горячего цинкования являются 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.

Вопросами цинкования занимается большое количество научных школ, проводя работы в плане совершенствования составов наносимых материалов, параметров подготовки поверхности обрабатываемой про-

волоки, технологических режимов процесса нанесения покрытия, оборудования для формирования оболочек и т.д.

Анализ способов производства проволоки с покрытиями позволил выделить две технологические схемы формирования поверхностных слоев на длинномерные изделия, а именно: нанесение присадочного материала на готовый размер изделия и нанесение покрытия на заготовку с последующей деформацией композита до готового размера.

Актуальность задачи волочения композиционных материалов обусловлена целым комплексом решаемых этим способом проблем, как то: увеличение точности готовой продукции по геометрическим показателям; достижение равномерности покрытия по толщине; увеличение антикоррозионных свойств поверхностного слоя за счет уплотнения обо• лочки; увеличение адгезионных показателей.

Целесообразность более детального рассмотрения процессов по ведения оболочек при волочении проволоки с поверхностным слоем диктуют также возросшие требования к качеству стальных канатов, где используется оцинкованная проволока, полученная по технологиям нанесения покрытия на заготовку с последующим волочением.

Однако, при широком спектре продукции, подвергающейся волочению, процессы, описывающие деформационный механизм поведения компонентов в слоистых объектах, изучены недостаточно.

Та?;, вслед за Г.Э.Аркулисом, который заложил основы теории совместной пластической деформации разных металлов (СЩРМ), достаточно глубоко и подробно исследовали поведение компонентов при совместной деформации разнородных металлов А.В.Архангельский, П.И.Полухин, Ю.В.Кнышев, В.А.Мастеров, А.С.Гуляев, В.В.Кучин, С.Д.Афанасьев, С.М.Левитан, Г.Л.Колмогоров, А.А.Поздеев. Ю.И.Ня-шин, П.В.Трусов и др.

Однако, данные работы посвящены решению или конкретных задач в определенных условиях, либо направлены на выявление наиболее общей картины очага деформации.

Работы авторов Магнитогорской научной школы получили свое развитие в публикациях В.Л.Стеблянко, А.В.Шапарева, Ю.В.Санкина, В.П.Анцупова, Л.С.Белевского, А.Г.Кобелева, Р.И.Манчаща, М.В.Чуки-на и др. Однако, все эти исследования направлены, прежде Есего, на установление взаимосвязи между степенями деформации компонентов биметаллов с условиями их соединения (сваривания) для образования прочной связи входящих в композицию элементов. Это опраЕдано и

имеет неоспоримую научную значимость при изготовлении биметалле® из разрозненных компонентов, связь между которыми до процесса деформации отсутствует. Использование данного подхода при описании поведения оболочек в процессе деформирования, когда в момент входа в очаг деформации существует достаточно прочная физическая и химическая связь между элементами композиции, является нецелесообразным.

Свое развитие теория поведения слоистых длинномерных изделий в процессах ьолочения получила в работах Манчаша Р.И., Стащу-ка П.В., где авторами предложена математическая модель напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при волочении трехслойной заготовки, которая может быть использована для определения ресурса пластичности входящих в композицию элементов.

К недостаткам такого подхода при описании процесса волочения слоистых длинномерных изделий следует отнести невозможность оценки величины сдвиговых напряжений, возникающих на входе в очаг деформации. из-за условий отсутствия адгезионной связи между компонентами системы до процесса обработки давлением. Это не снижает научной ценности предлагаемой модели, однако ее использование для описания устойчивости волочения, т.е. волочения без отслоения поверхностного слоя, затруднено без внесения дополнительных изменений.

Задачей совместной пластической деформации компонентов биметаллической проволоки с мягким покрытием занимались Г.А.Щеголев и -И.Ш.ТуктамышеЕ.. Предложенное математическое описание процесса ■ сводится к расчету длин специального инструмента, устанавливаемого на входе в очаг деформации.

Непосредственно вопросами устойчивого волочения биметаллической проволоки занимались А.А.Кальченко, Ю.И.Коковихин, М.Г.Поляков, И.М.Шумилин. Рассматривая проблемы устойчивости волочения биметаллических проволок по критериям достижения предельных значений сдвигающих напряжений во внеконтактных зонах мягкого поверхностного слоя,, они установили, что причиной образования зон внеконтакт-ной деформации является возникновение сжимающих напряжений в мяг-. кой оболочке. Эти модели основаны на определении величины продольных критических напряжений в .компонентах биметалла, по достижению •которых возможно образование зон внеконтактных деформаций. Основными . недостатками предложенного подхода является отсутствие взаимосвязи между напряженно - деформированным состоянием оболочки и

некоторыми технологическими параметрами волочения (противонатяже-ние, маршрут волочения), а также комплексного рассмотрения влияния контактных давлений на оболочку со стороны сердечника.

Таким образом, проведенный анализ теоретических методик расчетов напряженно-деформированного состояния композиций при прокатке и волочении позволяет сделать вывод о необходимости математического описания процесса волочения бинарных систем для определения напряженно-деформированного состояния на границах очага деформации и влияния услоеий волочения на величину сдвиговых напряжений. а также их воздействия на внеконтактные области поверхностных слоев.

Современными материалами, с помощью которых можно успешно решать как проблемы надежности металлоизделии, так и технологические задачи достижения качественных показателей металлопродукции, являются полимеры, используемые в качестве защитных покрытий. Эти материалы, обладая целым комплексом уникальных свойсте. могут с успехом заменить более дорогостоящие металлические покрытия. Использование данного класса материалов в качестве покрытий ограничено из-за существенной разницы свойств с. металлами. В связи с чтим встает вопрос о возможности технологического обеспечения процессом совместной деформации металло-полимерных материалов с целью дости жения требуемого качества и поверхностных свойств композитов.

Таким образом, комплексная оценка вопросов повышения качества метизных изделий с покрытиями в процессах деформации при волочении длинномерных изделий определяет постановку и решение следующих основных задач:

- теоретический анализ процессов волочения двухкомпонентных систем без отслоения оболочки, включающий исследование равновесия очага деформации и условий пластичности компонентов бинарной системы, анализ напряженного состояния оболочек на границах по критерию их устойчивости, изучение влияния параметров волочения на устойчивость двухкомпонентной системы;

- исследование базовых технологий волочения оцинкованной проволоки и корректировка технологических процессов на основании полученных данных;

- разработку технологического процесса формирования полимерных покрытий и исследование режимов ее волочения;

- реализация комплексных технологических решений при ссшер-

шенствовании процесса получения проволоки с покрытиями.

Во второй главе с целью создания математического аппарата для решения технологических задач определения режимов деформации проволоки с различными покрытиями рассмотрен процесс волочения бинарной системы. Схема очага деформации представлена на рис..1.

Схема очага деформации при волочении проволоки с покрытием

Рис.1

Процессы разрушения оболочки на внеконтактных поверхностях связаны с возникновением напряжений "подпора" со стороны необработанного Т10 и обработанного Т11 элементов поверхностного слоя, которые возникают из-за наличия прочного соединения покрытия с основой 'до и после очага деформации.

Задача решалась совместным рассмотрением уравнений равновесия

- и -

и условий пластичности при линейной аппроксимации нормальных давлений. Поскольку решение сводится к определению напряженного состояния на входе и выходе из очага деформации, то постановка осуществлялась в интегральной форме с учетом осесимметричности и допущения о линейной аппроксимации нормальных напряжений.

Уравнение равновесия для внешней компоненты очага деформации можно представить в следующем виде:

1 1 1 - [Ра ГхЧбшхЬ! (х')с!х + |Р2(х)з1паЬе(х)с1х - ¡х1 Гх)со£«1~1 !'х)с!х + о о о

+ КгОосозиЬгшах - Т11я [ с к 11к^1;'-'] < Т1ия1(П1°}5'-(^");-'] «

где Р1(х) - нормальные давления, действующие на покрытие со стороны инструмента на внешней границе; р£(х) - нормальные давления, действующие на покрытие со стороны деформируемой проволоки на внутренней поверхности; ц(х) - касательные напряжения на внешней границе покрытия; Х2(х) - касательные напряжения на внутренней границе покритнл; Т1° - давление подпора на входе в очаг деформации; Т\г - давление подпора на выходе из очага деформации; (Ц - усилие противонатяжения: Р - усилие волочения.

Величины Р, т и Т приводятся к тем площадям поверхности, на которых они приложены.

Из допущения о линейной .аппроксимации нормальных напряжений:

где ?\а - нормальное давление на Енешней поверхности покрытия на входе в очаг деформации; Ра1 - нормальное давление-на внешней поверхности покрытия на

выходе из очага деформации; 1 - длина очага деформации.

Аналогично определяется величина нормальных контактных напряжений на внутренней поверхности оболочки.

и

+ Г

п

; 1)

(2)

Закон трения выбирается в общем случае, исходя из конкретных технологических особенностей процесса. При решении данной задачи использовался закон Амонтона-Кулона.

Приближенное условие пластичности (используя условие Треска- Сен- Венана) можно представить в общем Еиде:

61-63 - 63, (3)

где 6а, 63 - главные напряжения.

б£ - предел текучести материала.

Условия пластичности рассматриваются для входа в очаг деформации и выхода из него без учета упрочнения материала оболочки.

При допущении, что в процессе волочения отслоение поверхностного слоя на внеконтактиых поверхностях не происходит, т.п. единичная вытяжка , и? закона постоянства объема определяется величина Р21:

Но0

К21 = К-11 -V •

Длина очага деформации 1 и угол межслойной границу В определяются из геометрических условий: П?!0-!?!1)

I ---5 (5)

=----7Г

Для описания процессов, происходящих в твердой компоненте композиционного материала, используется аналогичный подход. Уравнение равновесия имеет вид: 1 1

^РО(Х)З1ПБЬЙ(Х)С1Х - [г2(х)созЗЬ2(х)ах-и+Р = 0. (7)

•о • о

Условия пластичности (3) принимаются для входа и выхода из очага деформации с учетом закона упрочнения по Г.Э.Аркулису.

Таким образом, полученная система уравнений позволяет определять напряженное состояние композиции на входе и выходе из очага деформации,-а также рассчитать максимальные значения усилий волочения, устанавливая взаимосвязь между технологическими параметрами процесса обработки давлением.

На основании предложенной математической модели определены условия волочения монометаллов для предельного случая, когда поверхностный слой отсутствует. Получены уравнения для определения усилия волочения и давлений на контактных поверхностях для данного предельного случая, т.е. для волочения монометаллов. Проверка полученных уравнений на адекватность производилась сопоставлением расчетных данных с аналогичными параметрами, полученными при расчетах по общепризнанным уравнениям Г.Э.Лркулиса. С.И.Губкина, а также с экспериментальными данными. Расхождения полученных значений не превышали 10-12

При рассмотрении процесса возникновения сдвиговых напряжений в поверхностном слое, их величина сопоставляется со значением прочности сцепления покрытия с основой. В этом случае критерием статической устойчивости процесса волочения является отношение прочности сцепления покрытия на срез к величине сдвигоеых напряжений. Волочение идет без отслоения оболочки только в том случае, когда это отношение больше единицы.

бЦ / 6СЦ1 > 1.

6ю / бсцО > 1.

где бсщ, бСцо - прочность сцепления покрытия с основой на ср'м соответственно после и до процесса деформации;

бц, бю ~ сдвиговые напряжения во внеконтактных зонах по крытия.

Проведен анализ процесса Еолочения дЕухкомпонентных систем по критерию устойчивости оболочки к отслоению на входе и выходе из очага деформации. Установлены зависимости величины сдвиговых напряжений от основных технологических факторов процесса волочения. Выявлены области устойчивости оболочек к отслоению при обработке композиций с элементами, входящими в данный материал, существенно отличающимися по механическим свойствам друг от друга. Установлено влияние технологических параметров волочения на величину области устойчивого процесса.

В третьей главе для описания технологического шнсла волочения проволоки с цинковым покрытием предложены показатели, по которым производится адаптация математической модели к последовательному

расчету параметров многократного волочения.

К таким показателям относятся: значение суммарной вытяжки ц.!*, характеризующей относительное удлинение заготовки на 1-ом переходе; модуль упрочнения для каждого перехода; толщина оболочки на 1-ом переходе.

Предложена методика определения величины модуля упрочнения по эмпирическому уравнению с учетом суммарного обжатия стальной проволоки на ¿-ом переходе.

Процесс формирования цинковой оболочки на проволоку связан со строгой регламентацией количества присадочного материала, что характеризуется поверхностной плотностью покрытия. Предложена методика расчета начальной толщины поверхностного слоя после нанесения покрытия на заготовку при известной величине поверхностной плотности оболочки.

Исходя из анализа базовых технологий, применяемых в производственных условиях ОАО "Магнитогорский калибровочный завод", выделены основные группы проволоки, отличающиеся по величине поверхностной плотности. Произведен расчет толщины оболочки на заготовках по указанным группам.

На основании данных расчетов базовых маршрутов волочения оцинкованной проволоки по основным параметрам, характеризующим процесс Еолочения проволоки с покрытием без отслоения, установлено;

- для всех маршрутов волочения наблюдается увеличение сдвиговых напряжений в покрытии по мере роста суммарной еытяжки;

- разница между сдвигающими напряжениями в оболочке на входе в очаг деформации и выходе из него увеличивается по мере роста суммарной вытяжки за счет более интенсивного увеличения значений сдвигающих напряжений на входе в волоку;

- интенсивность роста напряжений сдвига наиболее велика на заключительных переходах волочения проволоки с покрытиями.

Одним из способов увеличения устойчивости покрытия к отслоению является применение противонатяжения, которое уменьшает интенсивность роста сдвиговых напряжений особенно на входе оцинкованной проволоки в очаг деформации. При достижении определенных значений противонатяжения снижаются сдвиговые напряжения в покрытии и на выходе композиции из волоки. В качестве примера представлены зависимости .влияния противонатяжения на величину сдвиговых напряжений

в покрытии на входе в очаг деформации при волочении оцинкованной канатной проволоки из ст. 50 с диаметра 3.2 мм на диаметр 1.3 мм (рис.2).

Влияние противонзтяжения на уровень сдвиговых напряжений в покрытии на входе (бю) в очаг деформации при волочении оцинкованной канатной проволоки ст. 50 с диаметра 3.2 км до 1.3 мм 1 - С)=0 (баз. вар); 2 - Ц=200 Н; 3 - 0=400 Н; 4 - 0-600 Н.

Рис.2.

Другим способом корректировки технологических процессов волочения проволоки с покрытиями с целью снижения сдвиговых напряжений в оболочке является изменение маршрута волочения. Рациональный выбор количества переходов и единичных обжатий может в 1.5 раза уменьшить уровень сдвигающих напряжений на входе в очаг деформации на последних переходах, обеспечивая достижение требуемого уровня качества продукции. Некоторые' параметры волочения разработанного маршрута и используемого ранее представлены в табл.1.

Приведенные исследования позволили скорректировать и реализовать маршруты волочения стальной оцинкованной канатной проволоки в условиях ОАО "Магнитогорский калибровочный завод".

Таблица 1

Параметры волочения оцинкованной канатной проволоки из ст. 50 с диаметра 2.8 мм на 1 мм по старому и скорректированному маршруту

Параметр Базовый вариант маршрута волочения Предлагавши марш* рут волочения

1 о (С. ■3 4 ц 6 Г) ( о 4 5 6 Г}

с!, мм 2.5 п о • (С 1.9 1.65 •1.43 1.25 1.1 1.0 1.6 1.37 1.17 1.0

% 20.3 о о о . О 54.0 65.3 73.9 80.1 84.6 пп п <_> 1 67.3 76.1 82.5 г, >-; п О ( . ^

бй£н»МПа 400 811 954 •1051 1112 1155 1184 1204 1051 1123 1165 1195

б32к,МПа 811 954 1051 1112 1155 1184 "1204 1210 1123 •1165 1195 1216

6 ю, МПа 551 830 980 1081 1135 1191 1244 1371 1019 1116 1151 •1 1 О О I

6ц, МПа 521 543 549 593 610 650 682 7Я б 519 581 588 601

Г, Н 932 1183 1139 395 714 532 401 254 1013 713 544 404

* - для скорректированного маршрута волочения переходы с 1-го по 4-ый аналогичны базовому.

В четвертой главе на основании анализа свойств промышленных фторсодержашдх полимеров предложено использовать в качестве материала покрытия на проволоке политетрафторэтилен. Данный материал обладает широким диапазоном рабочих температур, хорошей атмосфе-ростойкостью и стойкостью к воздействию агрессивных сред, высокими антифрикционными показателями. Использование покрытий из данного материала взамен цинковых позволит не только снизить себестоимость продукции, но и повысить ее потребительские свойства.

Формирование поверхностных слоев из данного материала может осуществляться по четырем основным направлением, в зависимости от условий эксплуатации проволоки потребителем:

- нанесение покрытия на готовый диаметр;

- нанесение покрытия на проволоку с последующим волочением;

- формирование полимерного слоя на предварительно сформированный подслой (например, из цинка);

- нанесение полимерного покрытия в комплексе с другими покрытиями с последующим волочением композиции на готовый диаметр.

Проведенные исследования по определению влияния операций подготовки проволоки перед нанесением полимерного покрытия, используя балльный критерий адгезионной прочности, позволили определить рациональные методы подготовки поверхности. К тагам процессам относятся химическое фосфатирование и дробеструйная обработка поверхностей.

Исследовано влияние шероховатости стальной фосфатировашгай проволоки на адгезию полимерного покрытия. Установлено, что достаточный уровень адгезионной связи покрытия с основой состветстьует микрогеометрии поверхности с максимальной высотой пиков микроне-ровностей 7-25 мкм, что соответствует 30-60 % от толщины формируемой полимерной оболочки.

Определены значения параметров дробеструйной обработки, таких как: размер частиц абразива, давление сжатого воздуха, дистанция обработки, абразивный материал для достижения требуемого уровня подготовки поверхности.

Финишные свойства покрытия формируются в процессе его термической обработки (полимеризации), поэтому данной операции необходимо уделять особое внимание в общей технологической схеме нанесения полимерного поверхностного слоя. Представлены данные по влиянию температуры и времени сушки на степень- обезвоживания и скорость высыхания покрытия. При исследовании процесса полимеризации установлены зависимости влияния температуры обжига на адгезионные свойства покрытий.

Волочение "сталь-полимерных" композиций связано с рядом технологических задач, обусловленных существенной разницей механических свойств компонентов слоистой системы, что потребовало экспериментального определения некоторых параметров волочения проволоки с полимерным покрытием. Исследовалось влияние геометрии и состояния поверхности инструмента на усилие волочения при обработке по определенному маршруту проволоки с полимерным покрытием и без него при условиях наличия и отсутствия смазки.

Результаты эксперимента показали снижение усилий волочения в среднем на 15-20 % при обработке проволоки с покрытием из политетрафторэтилена по сравнению с непокрытой проволокой по всем переходам, что свидетельствует о снижении коэффициента внешнего трения в очаге деформации.

Данные исследования позволили рассчитать коэффициент внешнего трения в очаге деформации, используя предлагаемую математическую модель. Произведена оценка целесообразности применения волочильного инструмента с покрытием рабочей зоны нитридом титана.

На основании проведенных исследований предложена технология формирования полимерных оболочек на проволоку конечного диаметра и заготовку с последующим ее волочением. Технологический процесс состоит из следующих операций:

- черновое химическое обезжиривание, проводимое с целью удаления поверхностных загрязнений, с применением различных растворов и режимов обработки (например, ЫаОН- 30-50 г/л, Ма^Р04~ 20-40 г/л, температура - 60-80°С, время 9-12 с);

- электролитическое обезжиривание, проводимое для более тшд-тельного удаления загрязнений с поверхности щелочными растворами под действием электрического тока (например ЫаОН - 30-50 г/л, ИазР04 - 20-40 г/л, температура - 60-80°С, время 9-12 с, напряжение - 10-12 В, плотность тока 6-10 А/дм2);

- травление применяется при наличии окалины и осуществляется в растворах серной кислоты с массовой концентрацией 50-150 г/л, температура раствора 20-25°С, время - 4-6 с;

- фосфатирование представляет собой обработку поверхности водными растворами фосфатов железа и цинка для повышения адгезионной прочности формируемого покрытия, при этом используются растворы фосфатных концентратов КФ-7, К1>-9 со следующими характеристиками: общая кислотность - 120-150 ед., свободная кислотность 30-35 ед., массовая концентрация цинка 30-35 г/л, температура - 50-60°С, время - 12-18 с;

- промывка диминерализованной водой и сушка фосфатного слоя при температуре 150-200°С в течение 9-12 с;

- нанесение полимерного покрытия из водной суспензии;

- удаление водной составляющей сушкой при температуре 90°С в течение 0.5-1 мин;

- полимеризация при температуре 400-420°С;

- волочение.

Данная технология реализована при изготовлении опытной партии проволоки и сетки с нанесением полимерного покрытия на готовый диаметр и заготовку с последующим волочением в условиях ОАО "Череповецкий сталепрокатный завод".

Качественный анализ коррозионной стойкости проволоки с полимерным покрытием, проведенный в камере погоды Г-4, позволил установить преимущества технологической схемы получения защитного полимерного покрытия с дополнительной операцией волочения.

В пятой главе актуальность проблем псшиония качгстга г.роьо локи с покрытиями однозначно определяет несбхслшостг совершенствования параметров обработки на всех стадиях сквозного технологи' ческого процесса получения данных изделий. Б соответствии с технической программой повышения качественных показателей продушин ь условиях ОАО "Магнитогорский калибровочный завод" на основании те оретических и экспериментальных исследований, проводившихся е течении ряда лет, разработан комплекс мер по совершенствованию процессов стадийной обработки во всем технологическом цикле производства проволоки с покрытиями.

Важным этапом при разработке технологий обработки проволоки является совершенствование процесса патентирования заготовки с целью придания ей равномерных пластических характеристик. С этой целью разработан и реализован способ обработки проволоки, позволяющий исключить применение расплавов свинца или селитры и одновременно получить улучшенные механические свойства проволоки по сравнению с традиционным патентированием. Данный метод повышает экологическую чистоту и экономичность производства проволоки. Экспериментальные данные зависимости механических свойств проволоки от скорости газового потока, в котором происходит охлаждение продукции представлены в табл. 2.

Критериальная оценка устойчивости оболочек в процессе их совместной деформации позволила установить линейную связь между волочением без отслоения и прочностью сцепления формируемого на заготовку покрытия. Поэтому совершенствование процессов формирования поверхностных слоев с целью повышения их адгезионной связи позволяет существенно снизить вероятность отслоения покрытия на грани-

Таблица 2.

Зависимость механических свойств проволоки диаметром 1 мм из ст.70 от скорости газового потока

Показатель Продувка воздухом со скоростью потока, м/с Охлаждение в селитре и свинце (базовый вариант)

6.0 7.0 S.O 9.0 10.0 11.0 12.0

6Е, МПа •1164 •1187 .1 0.1 Г/ ií-líj .1 по л '1255 jOQO 1306 1210-1310

V) Л г» с / . \J 46.2 44.7 Л r ¡ г. О 42.7 41.3 4ü. 40.0 45.0

цах очага деформации. Для рошенил данной задачи разработал новый состав сплава для нанесения защитного покрытия на основе цинка, в который дополнительно вводят марганец, алюминий и мишметалл. Данный состав позволяет не только решить поставленные задачи, но и увеличить коррозионную стойкость покрытия.

Экспериментальные исследования процесса электролитического латунирования позволили увеличить адгезионные свойства данного типа покрытия и разработать новый электролит для стабильного нанесения латунного покрытия, следующего состава: сернокислая медь (в пересчете на медь) 4-12 г/л; окись цинка (е пересчете на цинк) 2-8 г/л; едкий натр 60-120 г/л; калий-натрий виннокислый 300-360 г/л; сернокислый кобальт (в пересчете на кобальт) 0.03-3.0 г/л; сернокислый никель (в пересчете на никель) 0.1-3.0 г/л; натриевая соль антроценсульфокислоты 0.01-0.2 г/л. Введение в электролит солей никеля, кобальта, натриевой соли антроценсульфокислоты приводит к увеличению срока сохранности адгезионных свойств покрытия, расширяет диапазон катодных плотностей тока и повышает скорость осаждения.

Анализ напряженного состояния поверхностного слоя бинарных систем при волочении доказывает существенное влияние конструктивных особенностей волочильного инструмента на устойчивость процесса деформации проволоки с покрытиями. Совершенствование инструмента было направлено на решение следующих задач:снижение коэффициента внешнего трения поверхности композиции и инструмента; создание

противонатяжения конструкцией сборных волок; снижение пускового периода при волочении проволоки с покрытиями в режиме гидродинамического трения; снижение адгезионных параметров покрытия к поверхности инструмента; увеличение эксплуатационной надежности инструмента.

Предложены усовершенствованные конструкции волочильного инструмента. позволяющие решить данные задачи. Результаты промышленных испытаний данных конструкций свидетельствуют о высокой их эффективности при волочении как проволоки с покрытием, так и бег него.

Таким образом, комплексный подход к проблемам повышения ка чественных показателей проволоки позеолил рсалиеоват! ноше технические решения, подтвержденные авторскими свидетельствами и патен тами России, на всех стациях сквозного технологического процесса с получением конкретных результатов при выходе гстогой продукции.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате решения поставленных в диссертационной работе задач по совершенствованию процессов производства проволоки с качественными бездефектными покрытиями и реализации новых технологических решений при разработке комплексного технологического процесса производства данного Еида продукции можно сделать следующие выводы.

1. На основе теоретического анализа процессов Еолочения двух-компонентных систем произведена оценка елияния параметров волочения на устойчивость оболочек на внеконтактных зонах границы очага деформации.

2. Предложен критерий статической устойчивости покрытий к отслоению при волочении бинарных композиций, на основании которого установлены области устойчивого волочения материалов, с существенно отличающимися механическими-свойствами.

3. Исследование параметров волочения стальной оцинкованной канатной проволоки в условиях ОАО "Магнитогорский калибровочный завод" по критерию устойчивости оболочки позволило скорректировать маршруты волочения.

4. Анализ технологических параметров процесса нанесения полимерного покрытия и некоторых режимов волочения композиции позволил разработать и реализовать в условиях ОАО "Череповецкий сталепрокатный завод" технологию формирования покрытия на основе политетрафторэтилена с последующим волочением.

5. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана система мероприятий по совершенствованию процессов стадийной обработки в комплексном технологическом цикле производства проволоки с покрытиями.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. Слоистые композиционные покрытия в метизной промышленности Т.1. / Е.И.Кузнецов. М.Б.Чукин. м.П.Барышников, О.Е.Семенова. Магнитогорск: ПМП "МиниТип", 1997. - 96 с.

2. Слоистые композиционные покрытия в метизной промышленности Т.2. / Е.И.Кузнецов, М.В.Чукин, М.П.Барышников, О.В.Семенова. Магнитогорск: ПМП "МиниТип", 1997. - 208 с.

3. A.c. 1543838 СССР. Устройство для термообработки протяжных изделий / A.B. Белов, Г.К. Субботин, Е.И. Кузнецов и др. - 1987.

4. A.c. 1315526 СССР. Электролит латунирования / С.М. Темкин, С.А.Матюхин, Е.И.Кузнецов и др.//Б.И. - 1987.- N 21.- С.37.

5. A.c. 1570313 СССР. Патентировочный агрегат / Г.Б.Баталов,

B.Л.ПишваноЕ, Е.И.Кузнецов и др. - 1990.

6. A.c. 1646636 СССР. Способ подготовки поверхности проволоки к волочению /В.В.Кривошапов, Е.И.Кузнецов, В.Г.Камелин и др.//Б.И. -1991.- N IV.- С.17.

V. Патент 2023030 Россия. Способ обработки проволоки и устройство для его осуществления. / Г.П.Борисенко, В.Л.Пилюшенко, Е.И.Кузнецов и др. // Б.И,- 1994,- N 21.- С.28.

8. Патент 2016096 Россия. Способ обработки проволоки /Г.П.Борисенко, В.Л.Пилюшенко, Е.И.Кузнецов и др. // Б.И.- 1994,- N 13. -

C.45.

9. Патент 2037550 Россия. Состав сплава для нанесения защитного покрытия на основе цинка / С.С.Фомин, В.В.Кривощапов, Е.И.Кузнецов и др. // Б.И.- 1995. - N 12.- С.18.

10. Кузнецов Е.И. Условия эксплуатации тянущих колец станов мокрого волочения // Прогрессивные технологические процессы б об-

пп

- ¿.О -

работке металлов давлением: Сб. науч. тр. под редакцией академика Б.А.Никифорова. Магнитогорск, 1997'. С. 142-149.

П. Применение новых технологических смазок при сухом волочении проволоки / Л.Г.Савинчук, Е.И.Кузнецов, С.М.Вершигора, Е.А.Пудов, Т.В.Никифорова // Прогрессивные решения в метизной промышленности: Сб. науч. тр. под редакцией В.В.КривощапоЕа. Магнитогорск,

1996. С. 79-86.

12. Техническое перевооружение и диверсификация производства на ОАО "Магнитогорский калибровочный заЕОд" / В.В.КриЕСщапов, С.М.Вершигора. Е.И.Кузнецов, Е.А.ПудоЕ, М.В.КрИЕОщапов /7 Прогрессивные технологические процессы в обработке металлов давлением: Сб. науч.тр. под редакцией академика Б.А.Никифорова. Магнитогорск.

1997. С. 29-31.

"13. Кузнецов Е.И. Устойчивость оболочек на границах очага деформации при волочении ДЕухксмпонентных систем // XVI Российская школа по проблемам проектирования неоднородных конструкций: Тез. докл. научно-техн. конф. 24-26 июня 1997 г.- Миасс, С. 47.

14. Новые технологии производства пооеолоки с эффективными защитными покрытиями / М.В.Чукин, М.П.Барышников, Е.И.Кузнецов и др. // Актуальные проблемы материаловедения металлургии: Тег. докл.Международной научно-техн. конф. 1997 г. - Новокузнецк, С.77.

15. Анализ напряженного состояния инструмента с покрытием при волочении проволоки /У М.В.Чукин. А.А.Сабакарь, Е.И Кузнецов и др. Научный поиск е обработке давлением: Сб.науч.тр. соискателей и аспирантов кафедры "Материаловедение, качество и¡сервис металлургических и машиностроительных технологий" под редакцией академика Г.С.Гуна. - Магнитогорск: ПМП "МиниТип", 1998. - С. 147-155.

16. Свойства порошковых материалов и покрытий на основе никеля / М.В. Чукин, А.Н. Емелюшин, Е.И. Кузнецов и др. // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвузовский сб. науч. тр. под редакцией академика Г.С.Гуна. - Магнитогорск, 1997.- С. 89-94.