» » Смазки для калибрования волочением
14.01.2015

В настоящее время в металлообрабатывающей промышленности накоплен большой опыт волочения титановых прутков и проволоки в холодном и горячем состоянии. Для смазки применяется широкий ассортимент материалов. При волочении с подогревом до 500°C успешно используется препарат ЭЛПВ. Однако при температурах выше 600°C эти смазки разрушаются, теряют смазочные свойства. Поэтому для успешного ведения процесса волочения профилей в горячем состоянии необходимы такие смазочные композиции, которые обладали бы термической стабильностью в данном интервале температур и способностью экранировать поверхности волоки и изделия.
Все известные смазки, пригодные для волочения при повышенных температурах, можно разделить на следующие группы: 1) твердые (слоистые) смазки; 2) пластично-вязкие смазки; 3) металлические пленки. Наибольшее распространение из твердых слоистых смазок получили графит и дисульфид молибдена. Они обеспечивают низкий коэффициент трения, небольшой износ инструмента и образуют смазочную пленку высокой прочности. Из пластично-вязких смазок нашли применение стекла и солевые эвтектики. Однако их недостатком является сравнительно высокая температура размягчения, что приводит к потере смазочных свойств при контакте с волокой, имеющей более низкую температуру, чем протягиваемый металл.
Были исследованы технологические смазки первых двух групп, используемых при волочении тонкостенных профилей из высокопрочных сталей и титановых сплавов в диапазоне температур 500—950°C. Исследования показали, что смазочные свойства солевых смесей удовлетворяют условиям волочения только в узком температурном диапазоне (около точки размягчения). Поэтому при изыскании технологической смазки рассматривали разнообразные смазочные композиции, состоящие из водных растворов неорганических солей с твердыми наполнителями: графит, алюминиевая пудра, тальк и др. Изучали также способность смазки создавать прочный равномерный слой на поверхности заготовок из титановых сплавов и сталей при 800 °C и выдержке 20 мин. Для титановых профилей использовали в качестве подслоя оксидную пленку, полученную при нагревании профиля на воздухе до 600—700 °C. На стальные профили смазку наносили после предварительной обработки их поверхности металлической стружкой с величиной частиц 0,6—0,8 мм.
Наилучшие условия волочения достигали при применении в качестве смазки пересыщенных свежеприготовленных растворов неорганических солей. Неорганические соли обладают термической стабильностью, высокой температурой кипения и хорошей адгезией к поверхности деформируемого металла. Основное преимущество смазки, состоящей из солевого раствора с наполнителями, заключается в том, что она создает прочную пленку на поверхности металла. Такая смазка является бездымной и негорючей. Для волочения с нагревом большое значение имеет размер частиц графита, вводимого в солевую смазку в качестве твердого наполнителя: С уменьшением поверхности частиц графита за счет увеличения их размера от 7 до 20 мкм увеличивается термостабильность смазки. С целью повышения смачивающей способности солевых композиций были использованы различные марки поверхностно-активных веществ (ОП-7, ОП-10 и др.) в количестве до 0,1 %, вводимых непосредственно в раствор. Соотношение компонентов солевых смазок устанавливали с учетом растворимости солей в воде. Во всех случаях твердые наполнители вводили в смазку до получения пастообразной консистенции, создающей на поверхности изделия прочный, равномерный, легко наносимый слой.
Для исследований были взяты смазки, составы которых приведены ниже, %:
Смазки для калибрования волочением
Смазки для калибрования волочением

Введение в смазку № 2 солей сернокислого кадмия и тетраборнокислого натрия позволило повысить ее термостабильность. При температуре 800 °С тетраборнокислый натрий полностью расплавляется (температура его плавления 740 °C) и смачивает металлическую поверхность, а сернокислый кадмий при этой температуре находится в квазижидком состоянии, обеспечивая необходимую вязкость и прочность смазочной пленки. Эта смазка эффективна в интервале температур 550-800 °C.
Определение термостабильности солевых смазок методом взвешивания показало, что при выдержке в течение 15 мин масса образца с пленкой смазки при 800 °C практически не изменяется. Графитосолевые, смазки хорошо наносятся на поверхность заготовки, нагретой до 150-200 °C. При более высоких температурах смазка вспучивается и скатывается с поверхности.
Коэффициенты трения смазочных композиций определяли на четырехшариковой машине МАСТ-1. Коэффициент трения смазки на основе тетрабората натрия (буры) 0,15—0,18 при 750 °С, а смазки на основе хромовокислого калия достигают этих же значений коэффициента трения при 800 °C (рис. 24). При более высоких температурах, как правило, происходит разрыв смазочной пленки и возникает непосредственный контакт металла с инструментом.
Смазки для калибрования волочением

Исследование выбранных составов смазок в производственных условиях проводили на волочильном стане усилием 150 кН со скоростями волочения от 3 до 12 м/мин. Тонкостенные профили с минимальной толщиной элемента 1,0—1,5 мм и площадью поперечного сечения 0,6—4 см2 нагревали в муфельной электропечи, установленной 0,35 по оси волочения на расстоянии 600 мм от волоки. Температурный диапазон нагрева профилей, °C:
Смазки для калибрования волочением

Силу волочения определяли с помощью месдоз, установленных на волочильной тележке. Температуру профиля в процессе волочения контролировали быстродействующим фотоэлектрическим пирометром. Для нахождения значения параметров на каждом участке профиля сопрставляли осциллограмму силы волочения и диаграмму распределения температуры по длине профиля.
Особенно важен порядок приготовления смазок: в первую очередь готовят горячий насыщенный водный раствор неорганических веществ. Для растворения неорганической соли используют воду, подогретую до 60-90 °C. Затем в насыщенный водный раствор соли вводят твердые слоистые компоненты (тальк, графит) и тщательно размешивают полученную смесь до однородной массы.
Для получения равномерной пленки из смазки поверхность профиля окисляют, нагревая заготовку на контактной нагревательной установке до 700—800 °C с последующим охлаждением на воздухе.
При нанесении солевой пасты на поверхность профильной заготовки происходит кристаллизация соли. Выпадающие кристаллы соли прочно сцепляются с металлической поверхностью. При этом в образовавшейся смазочной пленке равномерно распределяется твердая фаза из раствора — слоистые смазочные материалы (графит, тальк).
Смазка, подаваемая в деформационную зону, испытывает действие вь1соких сдвигающих напряжений и нормального давления. В связи с этим сжимаемость смазки, а также качество поверхности обрабатываемого металла имеют важное значение при определении действительной толщины смазочного слоя в деформационной зоне. Толщина смазочного слоя в значительной мере определяет характер трения и качество поверхности профилей после волочения.
Получению высокого качества поверхности способствует равномерный тонкий слой смазки, который свидетельствует о благоприятных условиях трения. Значительное уменьшение толщины смазочного слоя приводит к снижению экранирующей способности смазки в условиях высоких температур и давлений.
В табл. 14 представлены результаты замеров толщины смазочного слоя по переходам волочения. Толщину смазочного слоя определяли с использованием магнитного толщиномера МИП-10.
Как следует из данных табл. 14, смазочный слой мало изменяется по переходам волочения, хотя некоторая тенденция к уменьшению толщины слоя с увеличением обжатия прослеживается.
Смазки для калибрования волочением

Наибольшее различие в толщине смазочного слоя наблюдается по поверхности профиля. Наиболее тонкий слой смазки при этом наблюдается в зонах действия объемного напряженного состояния, например, в зонах сопряжения полок профиля. Следует отметить также, что на первых переходах волочения чистота поверхности была выше, чем на последующих. Это может быть объяснено тем, что нанесенную на профиль смазку не снимали после волочения перед последующими переходами. Таким образом, многократное использование смазки с последующим новым покрытием ухудшает чистоту поверхности, так как продукты ее окисления и выгорания графита внедряются в поверхность профиля, образуя рябизну. Внедрение отвердевших частиц смазки происходит особенно интенсивно при малых обжатиях (менее 10 %) за переход и низких температурах 500-600 °C, так как при этих условиях радиальные напряжения достигают максимальной величины.
За критерии оценки эффективности смазки при волочении были приняты: напряжение волочения, чистота поверхности профиля и толщина слоя смазки на профиле после волочения. Волочение со стекло-смазками сопровождалось сильной вибрацией стана в связи с резким изменением вязкости стеклосмазки при контакте с волокой, которая имела температуру 100—200 °C. На рис. 25 показано изменение напряжения волочения от вытяжки при волочении таврового профиля из стали 08Х15Н5Д2Т с различными смазками при 750 °C. Наименьшие значения напряжения волочения получены при использовании смазок № 1 и № 2. Установлено, что наибольшее колебание силы волочения при постоянном температурном режиме происходит на первом переходе, когда вследствие нестабильности размеров заготовки и качества ее поверхности затруднены условия подачи смазки в очаг деформации по сравнению с наблюдающимися при последующих протяжках.
Коэффициент трения, определенный по формуле И.Л. Перлина с использованием экспериментальных значений напряжений волочения и сопротивления деформации при 700—750 °C, находится в диапазоне 0,18—0,23, Смазка, подаваемая в очаг деформации, в процессе волочения испытывает действие высоких сдвигающих напряжений, а также нормального давления. Поэтому смазка, состоящая из графита и жидкого стекла, в начальной стадии процесса волочения заполняет входную зону волоки в виде плотно спрессованного и спеченного конгломерата, что приводит к изменению угла смазочного клина, а, следовательно, и условий подачи смазки на установившейся стадии волочения.
Толщина смазочного слоя на профиле (табл. 15) в значительной мере определяет характер трения и качество поверхности после волочения. Равномерный тонкий слой смазки свидетельствует о благоприятных условиях трения. При этом следует отметить тенденцию к уменьшению толщины слоя с увеличением степени деформации и угла деформационной зоны волоки.
Смазки для калибрования волочением

Смазка из жидкого стекла и графита распределяется по поверхности профиля крайне неравномерно, на отдельных участках отмечена несплошность покрытия. Многократное по переходам волочения использование смазки, нанесенной на профиль, ухудшает чистоту поверхности, так как продукты окисления и выгорания компонентов смазки внедряются в поверхность профиля (особенно титанового). Внедрение отвердевших конгломератов смазки происходит особенно интенсивно при малых деформациях (5—8 %) за переход, что можно объяснить резким возрастанием радиальных напряжений с уменьшением степени деформации за переход. При использовании такой смазки напряжения волочения возрастают, особенно интенсивно на III-IV переходах, если профиль предварительно не очищать от остатков старой смазки. Свойства этой смазки ухудшаются при температурах ниже 600 °C и с увеличением содержания жидкого стекла.
Оправданным можно считать применение смазки, состоящей из чешуйчатого графита и 8—10 % жидкого стекла, для волочения высокопрочной стали при 800—950 °C, так как в указанном температурном диапазоне смазки на основе графита с бурой или хромовокислым калием плохо удерживаются на поверхности протягиваемого изделия, что может привести к оголению отдельных участков профиля с образованием задиров в процессе волочения. При волочении в диапазоне температур 500—750 °C наивысшая чистота поверхности получена со смазкой, состоящей из графита и буры. Риски на поверхности прессованных профилей при волочении сглаживаются; высота неровностей после волочения со степенью деформации 20 % уменьшается с 70-40 до 25—15 мкм. Сопоставление шероховатости волоченого профиля и толщины смазочной пленки показывает, что высота неровностей в основном укладывается в диапазон изменения толщины смазочной пленки. Таким образом, смазочный слой разделяет контактные поверхности волоки и протягиваемого металла, что дает основание утверждать о преимущественном прохождении процесса волочения в режиме псевдожидкостного трения и о сосредоточении контактных сдвиговых напряжений в смазочном слое.
В результате проведенных исследований разработаны составы смазок и рекомендованы для волочения с нагревом профилей из титановых сплавов и сталей: 1) при 500-750 °C графитосолевые смазки (№ 1 и № 2); 2) при 800—950 °C смазка на основе графита с добавкой 8—10 % жидкого стекла.
В работе рассмотрена возможность улучшения качества поверхности титановых профилей путем их окончательной отделки калибровкой волочением в холодном состоянии. Ранее из-за отсутствия надежных смазочно-разделительных покрытий процесс холодного волочения тонкостенных профилей из титановых сплавов не применялся. Поскольку в условиях высоких напряжений волочения смазочный слой разрушался, единичные обжатия приходилось ограничивать малыми величинами, что, в свою очередь, приводило к неравномерности деформации профилей в поперечном сечении. С разработкой эффективного подсмазочного покрытия появилась возможность волочения титановые профилей в холодном состоянии с достаточно высокими вытяжками за переход.
Для опытного волочения использовали горячепрессованные профили типа "уголок" из сплава ОТ4-1 с диаметром описанной окружности 40 мм и толщиной полки 2,5 мм. Волочение осуществляли на линейном стане усилием 0,15 MH в разъемные волоки с варьированием их заходных углов от 3 до 30° и степеней деформации — от 10 до 30 % как в горячем, так и в холодном состояниях. При горячем волочении профильные заготовки нагревали до 650—700 °C. Подсмазочное покрытие для холодного деформирования наносили химико-термической обработкой (XTO) заготовок в расплаве карбонатов щелочных металлов при 600 °C в течение 1 ч. В качестве смазки во всех случаях применяли коллоидно-графитовый препарат ЭЛПВ. Силу волочения измеряли с помощью кольцевой проволочной месдозы, усилителя "Топаз" и осциллографа HT115.
Результаты эксперимента показали, что процесс волочения профилей, подвергнутых ХТО, протекает при напряжении, занимающем промежуточное положение между значениями напряжения волочения с нагревом и вхолодную без XTO заготовки (рис. 26). Антифрикционное подсмазочное покрытие обеспечивает, таким образом, существенное уменьшение работы на сдвиговую деформацию. Значения коэффициентов контактного трения, полученные расчетным путем с использованием формулы И.Л. Перлина, следующие: при волочении вхолодную без XTO и с XTO соответственно 0,14—0,16 и 0,06—0,08, при волочении с нагревом 0,22—0,28.
Смазки для калибрования волочением

Исследование точности профилей после холодного и горячего волочения в разъемный инструмент показало, что отклонения размеров толщин полок профиля увеличиваются с ростом степени деформации, сопротивления деформации обрабатываемого металла и с уменьшением величины заходного угла волоки. Указанные факторы непосредственно влияют на величину упругой деформации инструмента. При волочении вхолодную со степенью деформации In μ = 0,15/0,2 упругая деформация инструмента составляет 0,1—0,3 мм, что почти в 1,5—2 раза выше, чем при волочении с нагревом. Помимо этого, холодное волочение прессованных заготовок приводит к значительной скрутке профиля из-за высоких остаточных напряжений; это затрудняет дальнейшее волочение без дополнительной термической и адъюстажной обработки. Поэтому процесс холодного волочения целесообразно проводить в один переход с небольшой степенью деформации (0,1—0,15), как окончательную отделочную операцию после горячей калибровки прессованной или прокатанной заготовки.
Шероховатость поверхности профилей, обработанных вхолодную, значительно ниже, чем шероховатость профилей, обработанных в горячем состоянии. Ниже приведены значения шероховатости поверхности профилей после волочения:
Смазки для калибрования волочением
Смазки для калибрования волочением

Изменение шероховатости поверхности зависит, как известно, от сопротивления деформации обрабатываемого металла и реологических свойств смазочного материала. Характер трения и качество поверхности профилей после волочения в значительной мере обусловливаются также толщиной смазочного слоя. Получению высокого качества поверхности способствует равномерный тонкий слой твердой смазки, не препятствующий передаче поверхности изделия гладкого рельефа очка волоки. Толщину смазочной пленки определяли весовым методом. После горячего волочения она составляет 10—20 мкм, после холодного 1,8—2,0 мкм. Поверхность профилей, протянутых в холодном и горячем состояниях, показана на рис. 27, где видно, что поверхность прессованного профиля с шероховатостью 21,3—28,9 мкм после холодного волочения имеет шероховатость 2,3—7,0 мкм; при волочении с нагревом она снижается только до 12—16 мкм.
Смазки для калибрования волочением

Исследования механических свойств профилей позволили установить степень упрочения материала и уровень свойств после термической обработки. На рис. 28 приведена зависимость изменения механических свойств профилей от степени деформации при горячем и холодном волочении. В связи с ростом прочностных свойств и интенсивным снижением пластических характеристик сплава после каждого перехода при волочении в холодном состоянии необходим отжиг профилей. Уровень механических свойств профилей после термической обработки соответствует требованиям ОСТа.
Смазки для калибрования волочением