Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы и выбор направления исследований 15
1.1 Виды композиционных металлических материалов и области их применения 15
1.2. Технологии и оборудование для производства проволочных и ленточных композиционных металлических материалов 20
1.3. Постановка задачи исследования 30
ГЛАВА 2. Методика разработки технологий и линий для производства композиционных металлических материалов 32
2.1. Анализ и обобщение принципов построения технологических систем 32
2.2. Разработка методики создания технологий и линий для производства композиционных металлических материалов 41
2.3. Функциональная структура системы разработки технологий 50 и оборудования на основе банка данных
2.4. Систематизация информационных исследований по производству композиционных металлических материалов 59
2.4.1. Классификация основных технологических процессов 59
2.4.2. Обобщенная функциональная схема работы и объектно-ориентированная модель технологической линии 64
2.4.3. Структура базы данных для выбора технологических схем и оборудования 85
2.5. Выводы по главе 97
ГЛАВА 3. Разработка и исследование технологии производства биметаллической проволоки «фени-медь» 100
3.1. Разработка и исследование технологии производства платинита 100
3.1.1. Разработка технологии и функциональной схемы работы линии 100
3.1.2. Разработка объектно-ориентированной модели и технологической схемы процесса 110
3.2. Функциональная схема и объектно-ориентированная модель процесса деформирования и сварки 120
3.3. Разработка модуля деформирования и сварки 130
3.4. Математическая модель процесса ввода сердечника в рабочую вакуумную камеру 140
3.4.1. Стержневая модель контакта сердечника с фильерой 140
3.4.2. Модель процесса вакуумного ввода сердечника в рабочую камеру 15 0
3.5. Исследование и оптимизация процесса ввода сердечника 15 8
3.6. Разработка и исследование процесса вывода биметаллической проволоки 163
3.7. Выпуск опытно-промышленной партии проволоки 178
3.8. Выводы по главе 181
ГЛАВА 4. Разработка и исследование технологии производства молибден-медной прямоугольной проволоки 183
4.1. Обоснование технологической схемы и состава оборудования 183
4.2. Математическая модель электропластической прокатки биметаллической проволоки с электроконтактным нагревом 192
4.3. Исследование процесса прокатки молибден-медной проволоки 203
4.4. Опытно-промышленное испытание технологии и агрегатов технологической линии 212
4.5. Выводы по главе 223
ГЛАВА 5. Разработка технологии производства многослойных лент из никеля и его сплавов 225
5.1. Обоснование технологической схемы и состава оборудования линии 225
5.2. Разработка алгоритмов расчета.и выбора элементов оборудования линии из базы данных 235
5.3. Опытно-промышленное испытание технологической линии 244
5.4. Разработка и исследование электропластической прокатки трехслойных лент с применением электроконтактного нагрева 253
5.4.1. Функциональная схема и объектно-ориентированная модель процесса 253
5.4.2. Математическая модель прокатки трехслойных лент 258
5.4.3. Исследование и оптимизация технологического процесса с целью повышения качества соединения составляющих трехслойных лент 268
5.5. Выводы по главе 286
ГЛАВА 6. Разработка процесса производства композиционного материала с основой из псевдосплава молибден-медь . 289
6.1. Технологические основы процесса получения композиционного материала молибден-медь 289
6.2. Разработка модели технологической линии и выбор оборудования из базы данных 294
6.3. Исследование процесса получения композиционных материалов типа "металл-металлокерамика" с высокой прочностью термодиффузионного соединения 301
6.4. Выводы по главе 314
ГЛАВА 7. Разработка и исследование технологии прокатки полос с газотермическими покрытиями из никеля и его сплавов 316
7.1. Исследование технологического процесса производства
полос с газотермическими покрытиями 316
7.2. Функциональная схема работы дегазационного модуля 327
7.3. Разработка технологии получения термобиметаллических полос с повышенными характеристиками прочности и пластичности 334
7.4. Выводы по главе 344
ГЛАВА 8. Использование результатов исследований в промышленности и учебном процессе 346
8.1. Разработка и внедрение технологий получения обработкой давлением прецизионных композиционных
металлических материалов с повышенными служебными свойствами. 346
8.1.1. Технология получения полос с газотермическими покрытиями 346
8.1.2. Технология производства платинита 352
8.1.3. Технология производства молибден-медной прямоугольной проволоки 355
8.1.4. Технология производства трехслойной ленты «никель-фени-никель» 356
8.1.5. Технология производства композиционного
материала «металл-металлокерамика» 360
8.2. Проектирование и создание технологических линий и
агрегатов для непрерывного производства прецизионных
композиционных металлических материалов. 362
8.3. Использование результатов работы в учебном процессе. 372
Основные выводы 374
Список использов анных источников
- Технологии и оборудование для производства проволочных и ленточных композиционных металлических материалов
- Функциональная структура системы разработки технологий 50 и оборудования на основе банка данных
- Разработка технологии и функциональной схемы работы линии
- Математическая модель электропластической прокатки биметаллической проволоки с электроконтактным нагревом
Введение к работе
Развитие металлургии в настоящее время характеризуется ростом производства композиционных металлических материалов, обладающих комплексом ценных свойств, которые позволяют одновременно обеспечить высокую прочность и пластичность, вакуумную плотность, сопротивление коррозии и электрической эрозии, электропроводность, теплопроводность и др.
Широкое применение в микроэлектронике, радиотехнике, электротехнике при конструировании прецизионных приборов нашли многослойные материалы с составляющими из никеля и его сплавов (ковара, фени и др.) и композиции с медными покрытиями [1-4].
Они относятся к классу прецизионных материалов, так как должны удовлетворять высоким требованиям по химическому составу, точности геометрических размеров и качеству соединения составляющих, а также обладать рядом специальных свойств - низкие газопроницаемость и газовыделение, хорошие электро- и теплопроводность и другие. Отличительной особенностью таких материалов являются малые поперечные размеры составляющих - менее 1 мм.
Обработка давлением металлов и сплавов, входящих в состав рассматриваемых композиционных материалов, осложняется высокими температурами их плавления и склонностью к окислению и газонасыщению. Для осуществления их совместной деформации необходимо исключить или максимально затруднить их взаимодействие с активными газами воздуха, что требует создания специальных методов защиты. Наиболее эффективным способом защиты металлов и сплавов от окисления и газонасыщения в процессах их обработки является создание специального оборудования, позволяющего производить все операции нагрев, пластическую деформацию, охлаждение и термообработку - в вакууме или в средах контролируемого состава [5-7].
Наряду с этим в нашей стране и за рубежом разрабатываются новые прогрессивные технологические процессы обработки композиционных металлических материалов, сочетающие пластическую деформацию с воздействием электрических и магнитных полей, ультразвуковых колебаний и других физических эффектов.
Получение многослойных высококачественных ленточных и проволочных материалов возможно путем электропластической деформации на прокатном оборудовании с пропусканием электрического тока через валки и прокатываемый материал или электроконтактным нагревом движущейся заготовки непосредственно перед очагом деформации [8-10]. В этом случае из-за кратковременности нагрева окислительные процессы и газонасыщение обрабатываемого материала не успевают существенно снизить его свойства.
В связи с этим возникает необходимость создания эффективных технологий и высокопроизводительного оборудования для производства многослойных материалов с составляющими из никеля и его сплавов и композиций с медными покрытиями. Этому требованию отвечает непрерывный процесс получения многослойных лент и проволоки, включающий последовательно все технологические операции от подготовки и прокатки монометаллической заготовки до получения многослойного продукта. Этот процесс является многостадийным и требует применения целого ряда технологических агрегатов различного назначения, объединенных в единую непрерывную линию [11-14].
Анализ известных технологий и технологических комплексов для производства обработкой давлением многослойных композиций показал, что для рассматриваемых в работе материалов они не обеспечивают высокого качества соединения составляющих, точности геометрических размеров и требуемых служебных характеристик, связанных со спецификой их применения.
Поэтому разработка непрерывных технологий и методологии создания технологических линий для производства многослойных ленточных и проволочных металлических материалов является актуальной задачей, которая имеет важное народнохозяйственное значение и вносит значительный вклад в экономику страны.
Цель работы - разработка и создание эффективных технологий и линий непрерывного производства обработкой давлением прецизионных композиционных металлических материалов на базе развития теоретических основ их проектирования и математического моделирования.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
• проанализировать и систематизировать современные технологии обработки давлением и оборудование для производства композиционных металлических материалов, применяемые ведущими научно-исследовательскими организациями;
• сформулировать основные принципы построения непрерывных процессов и технологических линий для производства обработкой давлением композиционных металлических материалов с использованием объектно-ориентированного подхода и многоуровневой базы данных;
• разработать прогрессивные технологии и линии для производства многослойных ленточных и проволочных материалов с использованием электроконтактного нагрева, электропластической деформации и сред контролируемого состава;
• исследовать влияние различных факторов на технологические режимы волочения и прокатки многослойных материалов, состав оборудования линий и конструктивные параметры отдельных агрегатов;
• использовать результаты теоретических и экспериментальных исследований при создании и внедрении новых технологических и технических решений, обеспечивающих улучшение качества готовой продукции и повышение выхода годного.
Научная новизна заключается в следующем.
1. Сформулированы принципы создания непрерывных технологий и линий для производства обработкой давлением прецизионных композиционных металлических материалов, которые базируются на объектно-ориентированном подходе, методах системного анализа, классификационных схемах известных и новых непрерывных технологических процессов.
2. На основе систематизации и классификации технологий получения обработкой давлением композиционных материалов установлены основные обобщенные операции, оказывающие определяющее влияние на качество готовой продукции.
3. Предложена многоуровневая структура базы данных, которая для конкретного композиционного материала включает комплекс технологий, функциональных схем, объектно-ориентированных моделей, модулей и агрегатов.
4. На основе совместного решения уравнений теории волочения, закономерностей контактного трения и вакуумной техники разработана математическая модель процесса ввода сердечника в рабочую вакуумную камеру через совокупность последовательно расположенных фильер, что позволило установить количество вакуумных камер, оптимизировать распределение в них давлений и определить количество фильер в каждом герметизирующем блоке.
5. Уточнены параметры процесса вывода биметаллической проволоки из вакуумной камеры, в которой диаметры проволоки на выходе из фильер вычисляются в функции напряжений противонатяжения, задаваемого в долях от условного предела текучести проволоки.
6. В результате теоретических и экспериментальных исследований получены данные о процессе электропластической прокатки биметаллической проволоки с электроконтактным нагревом, которые позволили определить технологические режимы плющения и прокатки молибден-медной проволоки с требуемыми показателями разнотолщинности медного слоя.
7. Установлены зависимости изменения температуры в очаге деформации при прокатке трехслойных ленточных материалов при различных способах подачи электрического тока, позволившие разработать эффективные методы контроля и управления процессом.
8. Получены экспериментальные зависимости коэффициентов диффузии и периода активации диффузии от температуры для композиций "железо - молибден", "железо - никель" и "никель - ковар".
9. Установлено, что для повышения качества термобиметаллических полос перед прокаткой необходимо проводить дегазацию полосы с газотермическим покрытием в специальном низковакуумном модуле, для которого разработана методика расчета и проектирования.
10. Разработаны новые высокоэффективные технологии и линии для непрерывного получения прецизионных проволочных и ленточных композиционных металлических материалов, обеспечивающие требуемый уровень качества готовых изделий и повышение выхода годного.
Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в следующем.
1. Разработаны технология волочения и линия непрерывного производства биметаллической проволоки «фени-медь» с повышенной вакуумной плотностью. Создан промышленный образец модуля деформирования и сварки, который внедрен на ОКБ «Луч».
2. Разработан ресурсосберегающий процесс производства трехслойных полос с составляющими из никеля и его сплавов электропластической прокаткой в сочетании с электроконтактным нагревом. Рекомендации по технологическим режимам использованы:
• при разработке на ОАО «ОКБМ» и ОКБ «Луч» промышленной технологии непрерывного производства трехслойной ленты "никель-фени-никель" шириной 110 мм и толщиной 0,8 мм.
• при модернизации стана Дуо-80 для корректировки скорости прокатки и режимов обжатий и уточнения электрических параметров, обеспечивающих получение требуемой температуры в очаге деформации;
• при создании плющильного стана конструкции ОКБМ для определения расстояний между токоподводящей фильерой и осью прокатных валков и выбора электрооборудования для подачи требуемого электрического тока при электроконтактном нагреве и электропластическом деформировании.
3. На основе комплекса экспериментальных и теоретических исследований разработана технология прокатки и линия для непрерывного производства полос с газотермическими покрытиями из цветных металлов и сплавов повышенной пластичности, которая позволяет получать монолитные по своей структуре покрытия заданной толщины, обладающие высокими когезионными и адгезионными характеристиками.
4. Разработана технология и определен состав оборудования линии для производства прецизионной биметаллической молибден-медной ленты с высоким качеством соединения составляющих и равномерным распределением тонкого медного слоя по периметру молибденового сердечника. На основе лабораторных и опытно-промышленных исследований даны рекомендации по технологическим параметрам процесса электропластической деформации с электроконтактным нагревом, которые использованы при получении прецизионной молибден медной прямоугольной проволоки с повышенной прочностью соединения плакировки.
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и методики расчета явились научной базой для разработки новых технических и технологических решений, использование которых на ряде ведущих предприятий промышленности (ПО "Кристалл", ОАО НИИМЭТ, ОАО «НЛМК» и др.) позволило создать экологически чистые, энерго- и ресурсосберегающие производства и дало значительный технико- экономический эффект.
6. Методики и алгоритмы расчета технологий и линий, разработанные в процессе выполнения диссертации, применяются в научно-производственных организациях РФ и стран СНГ (ОАО «ОКБМ», ИЭС им. Е.ОЛатона, ОКБ "Луч", ОАО НИИМЭТ и др.).
7. Теоретические положения и методики, представленные в диссертации, используются в учебном процессе ведущих вузов РФ (МИСиС, МВМИ, МГТУ им. Н.Баумана, МГТУ им. Г.И.Носова, ЛГТУ, ЧГУ и др.) Основные результаты работы изложены в учебнике для вузов (объемом 54 п.л.) с грифом учебно-методического объединения вузов по университетскому политехническому образованию и 4 учебных пособиях для студентов вузов.
Данная диссертация является составной частью комплекса научно-исследовательских работ, выполненных в Московском государственном институте стали и сплавов на кафедре машин и агрегатов металлургических предприятий в соответствии с межвузовской научно-технической программой "Металл", программой "Высокие технологии высшей школы", госзаказом министерства электронной промышленности СССР на 1989-1990 гг., государственной научно-технической программой "Технологии, машины и производства будущего", конкурсами грантов в области фундаментальных проблем металлургии и машиностроения, планами госбюджетных научно-исследовательских работ МИСИС.
Материалы диссертации доложены и обсуждены на объединенном семинаре по обработке металлов давлением технологического факультета МИСиС (Москва, 2004г.), Всероссийской научно-технической конференции «Непрерывные процессы обработки давлением» (Москва, 2004г.), международной конференции «Современные проблемы сварки и ресурса конструкций» (Киев, 2003г.), объединенном семинаре кафедр ПДСС и МАМП (2003г.), 6-ой международной научно-технической конференции «Пластическая деформация металлов» (Днепропетровск, 2002г.), научном семинаре кафедры МАМП МИСиС (Москва, 2002г., 2000г.), научном семинаре кафедры "Технологические машины и оборудование" СКГТУ (Владикавказ, 2000г.), третьем международном конгрессе прокатчиков (Липецк, 1999г.), международных научно-технических конференциях «Вопросы проектирования и эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении и строительстве» (Старый Оскол, 1999г.) и "Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах" (Череповец, 1999г.), объединенном семинаре лабораторий НПО-2 ВИЛС (Москва, 1999г.), региональной научно-технической конференции НИИ (Норильск, 1999г.), всесоюзных научно-технических конференциях "Опыт производства и применения металла с покрытиями" (Запорожье, 1988г.) и "Задачи технического перевооружения листопрокатного производства" (Днепропетровск, 1987г.).
Основное содержание диссертации опубликовано в учебнике для вузов (в 2-х частях), 3 брошюрах, 40 статьях, 5 учебных пособиях для вузов и 3 авторских свидетельствах на изобретения.
Технологии и оборудование для производства проволочных и ленточных композиционных металлических материалов
Многочисленными исследованиями установлено, что для получения композиционных металлических проволочных и многослойных материалов наибольшее распространение получили способы их производства в твердой фазе с применением холодной или высокотемпературной пластической деформации: прокатка, осадка, прессование, волочение, диффузионная сварка и др. Эффективно применение комбинированных методов, использующих деформирующее оборудование в сочетании с агрегатами ионно-плазменного, лазерного или газо-термического напыления плакировки [24-29].
Основная задача создания многослойных и проволочных материалов заключается в обеспечении прочного соединения составляющих по всей поверхности контакта, а также в получении требуемых физико-механических свойств, структуры, геометрических и других параметров, определяемых спецификой использования полученной композиции. В основе образования соединения при получении композиционных материалов обработкой давлением лежит явление схватывания металлов. Существует несколько гипотез, объясняющих механизм схватывания металлических поверхностей с точки зрения современных представлений физики твердого тела, межатомного взаимодействия, процесса диффузии и др. Существующие к настоящему времени гипотезы подробно рассмотрены в работах [15, 16, 24].
Процесс получения композиционных материалов путем плакирования можно представить в виде пяти стадий. На первой предварительной стадии происходит тщательная очистка контактирующих поверхностей (обезжиривание, зачистка) от адсорбированных жировых, водяных и оксидных пленок, а также подготовка поверхности металла к образованию активных центров, в случае необходимости (если это не рулонный способ производства) составление заготовки или пакета для дальнейшего деформирования. Далее идут стадии образования физического контакта, активации контактных поверхностей и объемного взаимодействия. Здесь происходит сближение атомов соединяемых материалов на расстояние, при котором становится принципиально возможным квантово-механическое взаимодействие или возникает слабое химическое взаимодействие.
Протекание в контакте соединяемых материалов процессов электронного взаимодействия требует определенной величины энергии для активации поверхностей, выражающейся в создании активных центров. Необходимая энергия для создания активных центров на поверхности металлов сообщается в виде термической или механической энергии упруго-пластической деформации. С момента образования активных центров начинается развитие взаимодействия соединяемых металлов в объеме зоны контакта. Развитие объемного взаимодействия приводит к уменьшению свободной энергии системы и получению термически более стабильного соединения, характеризуемого определенной микроструктурой. Последним этапом формирования качественного соединения является, как правило, термическая обработка, применяемая в большинстве случаев при производстве композиционных ленточных и проволочных металлических материалов. На этой стадии происходят процессы перекристаллизации, рекристаллизации и релаксации напряжений, а также интенсивно протекают диффузионные процессы.
Процесс образования парно-электронной связи за счет трансляции междуатомных связей можно описать уравнением экспоненциального типа [5, 6]: где N - требуемое число разрывов связей; NQ - число связей на единице поверхности; єа - энергия единичной связи; v - частота собственных колебаний атомов; Р - давление; С - величина, характеризующая состав и свойства материала; та - время активации; Т - температура, К; К -постоянная Больцмана.
Существуют различные теоретические выражения, позволяющие связать v с константами диффузии; одно из таких выражений связывает v с частотным предэкспоненциальным множителем. DQRT Q2S2 где 8 - постоянная решетки; Q - энергия активации диффузии; R - газовая постоянная; D0 - предэкспоненциальный множитель. Подставив в уравнение (1.1) формулу для v, получим Q2S2
Таким образом, кинетика образования или разрыва связей, образующихся при взаимодействии металлов при их совместной пластической деформации, может быть описана уравнением, в которое входят параметры, определяемые из экспериментов. Данное выражение впервые было использовано при исследовании взаимодействия металла и инструмента при прокатке в вакууме.
Анализ экспериментальных результатов показал, что энергия активации диффузии для данной пары постоянна, не зависит от температуры и определяется только атомным строением и соотношением периодов кристаллической решетки соединяемых компонентов.
Функциональная структура системы разработки технологий 50 и оборудования на основе банка данных
Основные этапы проектирования технологической линии для производства композиционных металлических материалов и последовательность их выполнения приведены на рис. 2.1. Представленный алгоритм проектирования согласуется с рекомендациями ГОСТ 2.101-2.109-68, в которых отражены основные положения ЕСКД, и основан на использовании разработанных в п.2.1 системных принципов проектирования, полученных на основании обобщения отечественного и зарубежного опыта проектирования и создания металлургического оборудования. Рассмотрим содержание этапов [35, 64-67]. 1) Получение технического задания на проектирование линии.
В техническом задании на проектирование линии обычно указывают основное назначение, технические характеристики, показатели качества, технико-экономические требования, стадии проектирования, планируемый уровень затрат, сроки выполнения, а также специальные требования к линии и особые условия проектирования.
Главной целью данного этапа является сбор и подготовка информации для оценки возможности и целесообразности создания технологической линии для производства композиционных металлических материалов. Для ее достижения необходимо получить ответы на следующие вопросы: конкретизация цели и задач технологического процесса, уточнение требований к полученным композиционным материалам, возможность изменения постановки задачи с учетом перспектив развития производства и потребления композиционных металлических материалов; анализ способов получения композиционных материалов, состава и характеристик используемого оборудования; уточнение метрологических и информационных характеристик технологического процесса; систематизация данных для проведения экспертных оценок по цели, задачам и технико-экономическому эффекту от применения технологической линии и др. 2) Оценка возможности и целесообразности создания линии.
На основе критического анализа технической, научной и патентной литературы установлено, что разработка технологических линий преследует две основные цели: увеличение производительности труда и выхода годного без изменения технологического процесса; повышение качества композиционного материала за счет совершенствования оборудования и введения новых технологических операций. В настоящее время в связи с переходом на рыночные отношения и необходимостью конкурировать с зарубежными поставщиками продукции целью создания технологических линий обычно является повышение качества композиционных материалов при широком использовании энерго-, материалосберегающих и экологически безопасных технологий и оборудования. Если возможность и (или) целесообразность создания линии вызывает сомнение, то необходимо перейти к этапу 3. В случае положительного ответа на поставленный вопрос происходит переход к этапу 4. 3) Оценка возможности изменения технического задания.
Так как при выполнении этапа 2 выявились принципиальные трудности создания линии для производства композиционных металлических материалов, то необходимо провести согласование с Заказчиком возможности изменения исходных данных на проектирование. Если техническое задание изменить нельзя, то дальнейшие работы прекращаются и делается вывод о невозможности или нецелесообразности проектирования линии (этап 15). При положительном решении происходит возврат к этапам 1-2-4. 4) Уточнение цели и задач проектирования
Основное назначение данного этапа - подготовка данных для оценки возможности отнесения разработанного или выбранного технологического процесса к типовому (см. этап 5). При его выполнении используются как результаты первого этапа, так и дополнительные сведения, полученные на основе более детального изучения технологического процесса производства заданной в техническом задании номенклатуры композиционных металлических материалов. На данном этапе уточняется перечень задач и определяются исходные данные для создания предварительной (априорной) модели технологической линии. Можно рекомендовать следующий порядок его проведения: сбор информации о технологическом процессе," для чего можно использовать специальные анкеты, содержащие систематизированный перечень вопросов; анализ полученной информации, включая отсев дублирующей и несущественной информации, расчленение взаимозависимой информации, ее группировка по некоторым признакам и др.; формулировка цели и задач проектирования, при этом необходимо дать критерий оценки качества решения задач, указать область допустимых или желательных решений и установить факторы, влияющие на решение поставленных задач; устранение противоречий (если они имеются) между задачами; построение априорной модели технологического процесса, которая представляет собой совокупность зависимостей (графических, аналитических, логических и др.) между характеристиками процесса и ограничений на них.
Разработка технологии и функциональной схемы работы линии
В электронной и радиотехнической промышленности для герметичных (вакуумных) вводов через стеклянные оболочки электровакуумных, полупроводниковых и светильных приборов широко применяют платинит, который представляет собой биметаллическую проволоку из железоникелевого сплава 42НА (фени) с оболочкой из меди.
Получение заготовки платинита включает следующие операции: сборку железоникелевого сердечника с медной трубкой, завальцовку концов полученного пакета, нагрев в водороде при 600...800С с точкой росы -70...-40С в течение 1...10 мин. Нагрев пакета до указанных температур способствует восстановлению оксидов, имеющихся на контактных поверхностях соединяемых материалов, и позволяет получить при последующем волочении достаточно хорошую прочность соединения составляющих. Однако, процесс обладает очень низкой производительностью и не всегда обеспечивает герметичность соединения составляющих.
К настоящему времени разработан технологический процесс получения стальной проволоки, плакированной медью, который включает: непрерывную подачу стального сердечника и медной ленты; обезжиривание и зачистку контактирующих поверхностей в инертной среде; формирование заготовки путем формовки ленты, сварки ее кромок и опрессовывания вокруг сердечника; нагрев и волочение заготовки на заданный размер. Как показала практика, распространение этой технологии на процесс получения заготовки из платинита не дало положительных результатов из-за отсутствия надежного и вакуум-плотного сцепления по всему периметру поперечного сечения биметаллической проволоки. Это объясняется тем, что при обжатии заготовки после ее зачистки в пространстве между лентой и сердечником может находиться инертный газ, который препятствует созданию прочного соединения.
В МИСиС, совместно с ОКБ "Луч", разработан способ получения проволоки из платинита [77], в котором после зачистки в инертной среде осуществляют дополнительную обработку контактирующих поверхностей сердечника и ленты в вакууме 6,6...13,3 Па при скорости 3...5 м/мин до получения шероховатостей поверхности сердечника Ra - 0,8...1,5 мкм и ленты - Rz = 10...20 мкм, формирование биметаллической заготовки и её опрессовку в волоках с обжатием 3...8% ведут в вакууме 10"3...Ю"4 Па; полученную заготовку нагревают до 850...920С и прокатывают по режиму повышения вытяжек от 2...7% на воздухе. В качестве инертной среды используют азот при избыточном давлении 2...5 МПа [78].
При обработке в вакууме происходит разложение и испарение адсорбционной газовой пленки вследствие десорбции газов, испарение органических и неорганических веществ, обновление контактирующих поверхностей, что вместе с отсутствием газов между лентой и проволокой обеспечивает прочное вакуумное сцепление.
Сущность технологического способа заключается в непрерывной подаче обезжиренных в трихлорэтилене с применением ультразвука и зачищенных металлическими щетками в среде азота проволоки и ленты в ваккумную установку, где при остаточном давлении не более 13,3 Па происходит десорбция газов и очистка от органических и неорганических веществ контактных поверхностей, формовка ленты в трубку вокруг сердечника со сваркой кромок оболочки известными способами, например, дуговым, электронно-лучевым, и деформирование оболочки вокруг сердечника, после чего вакуумированную биметаллическую заготовку нагревают в индукторе и опрессовывают в роликовых волоках.
Вакуумирование биметаллической заготовки с очищенными контактными поверхностями оболочки и сердечника позволяет получить вакуумплотное сцепление, что обеспечивает герметичность проводников со стеклянными и керамическими оболочками осветительных, электровакуумных и полупроводниковых приборов.
Проведенные исследования показали, что применение дополнительной обработки контактирующих поверхностей сердечника и ленты в вакууме обеспечивает десорбцию ранее поглощенных поверхностью газов (табл. 3.1).
При давлении выше 13,3 Па процесс десорбции резко замедляется, а получение давления ниже 6,6 Па приводит к усложнению конструкции вакуумных систем.
При скорости ниже 3 м/мин уменьшается производительность процесса получения проволоки и снижается эффективность процесса десорбции из-за увеличения плотности адсорбированных молекул газа. При скорости выше 5 м/с снижается качество сварки кромок ленты, что приводит к появлению дефектов сварного шва и нарушению вакуумной плотности соединения.
Математическая модель электропластической прокатки биметаллической проволоки с электроконтактным нагревом
Необходимо отметить, что в данном узле, кроме обеспечения герметичного вакуумного ввода сердечника, осуществляется механическое удаление оксидных пленок с его поверхности за счет микрорезания поверхностного слоя при прохождении через фильеры. Принципиальное отличие предлагаемого вакуумного ввода сердечника от процесса волочения состоит в том, что главное назначение волочения, как и любого другого процесса обработки металлов давлением, заключается в деформировании (вытяжке или обжатии) заготовки. В то же время при вводе сердечника в вакуумную камеру основным является эффект герметизации; поэтому в данном случае вытяжки принимаются минимально возможными, исходя только из условия создания надежного вакуумного уплотнения.
Узел ввода ленты представлен на рйс. 3.10 и содержит: 1 - корпус; 2 - камеру низкого вакуума; 3 - камеру среднего вакуума; 4 - направляющую, 5 - ролики горизонтальные, 6 - ролики вертикальные, 7 - ролик отклоняющий.
Принципиальная сложность устройства ввода ленты в вакуум состоит в том, что её толщина намного меньше ширины, и поэтому конструктивно трудно обеспечить одновременную герметизацию по двум направлениям. В связи с этим было принято решение использовать в качестве герметизирующих и направляющих элементов чередующиеся пары горизонтальных и вертикальных роликов, при этом с целью снижения поступления воздуха через вертикальные щели в области размещения горизонтальных роликов дополнительно установлены герметизирующие направляющие. Расчеты показали, что устройство для ввода медной ленты в вакуумную камеру конструктивно должно быть выполнено в виде двух последовательно расположенных камер низкого и среднего вакуума, разделенных герметизирующими элементами. Поэтому при вводе ленты из атмосферы (давление 105 Па) в рабочую вакуумную камеру (давление 10"4 Па) она последовательно проходит через: первую группу роликов, разделяющую атмосферу и камеру низкого вакуума; камеру низкого вакуума (давление 10 Па); вторую группу роликов, разделяющую камеры низкого и среднего вакуума; камеру среднего вакуума (давление 10" Па); третью группу роликов, разделяющую камеру среднего вакуума от рабочей высоковакуумной камеры (давление Ю-4 Па).
Для улучшения условий работы и повышения надежности все герметизирующие элементы работают без восприятия значительных усилий, для чего на входе в первую сборочную единицу установлены горизонтальные тянущие и вертикальные центрирующие ролики, а на её выходе - отклоняющий ролик. С целью исключения схватывания трущихся поверхностей в вакуумной технике рекомендуется применять твердые смазки (например, из дисульфида молибдена), сульфидировать поверхности трения или использовать материалы с резко отличающимися физико-механическими свойствами. Нами принят последний способ как более простой и надежный; поэтому ролики выполнены из твердого сплава типа ВК6, а герметизирующие направляющие для низкого и среднего вакуума изготовлены из фторопласта.
Узел для формовки медной ленты в трубку и сварки ее кромок состоит из двух функциональных сборочных единиц.
Первая функциональная сборочная единица фактически представляет собой трубоформующее устройство, в котором медная лента непрерывно деформируется в трубку с наружным диаметром 12,7 мм так, чтобы внутри неё проходил ферроникелевый сердечник, при чем оси трубки и сердечника должны совпадать. От первого узла лента с помощью отклоняющих роликов направляется в формующие (калиброванные) ролики, в которых она подвергается постепенному изгибу до цилиндрической трубной заготовки. Так как процесс пластической деформации ленты происходит в глубоком вакууме, то с целью упрощения конструкции сборочной единицы формующие ролики выполнены не приводными. Учитывая высокую пластичность материала ленты и сравнительно невысокую скорость деформации, принята наиболее простая одно-радиусная калибровка, в которой рабочий профиль формующего ролика выполняют одним радиусом, уменьшающимся от ролика к ролику по ходу движения ленты (рис. 3.11).
