Создание технологий получения биметаллической проволоки и покрытий на основе процессов, совмещенных с пластическим деформированием Стеблянко, Валерий Леонтьевич

Введение к работе

Актуальность работы. Широкое применение в различных областях техники находят слоистые металлические композиционные материалы. Их применение позволяет достигать не только качественно новых свойств изделий, но и существенной экономии дорогостоящих материалов компонентов, и прежде всего - цветных металлов. В связи с этим изыскания областей рациональной замены изделий из цветных металлов на биметаллические, разработка и широкомасштабное промышленное освоение высокоэффективных технологий их производства является актуальной проблемой.

Решение вопросов электрификации железных дорог и городского транспорта, создание сетей высоковольтных линий электропередач и линий связи, производство отечественной электронной техники мирового уровня и других отраслей требует коренного улучшения качества выпускаемых в России биметаллических проводниковых материалов и, в первую очередь, ста-лемедкой проволоки.

Практически весь объем отечественного производства такой продукции сосредоточен на Магнитогорском метизно-металлургическом заводе, в составе которого имеется единственный в России специализированный цех биметалла по выпуску сталемедной проволоки широкого сортамента. Цех производит сталемедную проволоку металлургическим способом и имеет в составе пять отделений: медеплавильное, прокатное, травильное, волочильное и термическое.

Несмотря на то, что в производстве биметалла.за прошедшие десяти
летия было много сделано с целью совершенствования технологии, улучше
ния качества продукции и условий труда, с позиций современных требований
данный способ производства обладает рядом существенных недостатков.-: Он
является высокотрудоемким в связи с использованием на многих .операциях
низкоквалифицированного ручного труда. Наряду с этим газообразные, вы
бросы медеплавильных и нагревательных печей, применение ванн кислотно
го травления и омеднения, наличие меде- и кислотосодержащих стоков; де
лают данный способ производства экологически опасным, создающим посто
янную угрозу для здоровья людей и окружающей среды. . _г,

Процесс прокатки с большим числом проходов в клетях с двухвалковыми калибрами, сопровождающийся интенсивной поперечной деформацией заготовки приводит к искажению формы поперечного сечения сердечника и значительной разнотолщинности медного слоя. Температурный перепад по длине заготовки и особенности прокатки переднего и заднего концов раската в первых проходах приводят к продольной неравномерности содержания компонентов и сползанию меди, идущей в обрезь. Процесс формирования биметаллического слитка заливкой сердечника жидкой медью приводит к

образованию промежуточного диффузионного слоя значительной толщины и, тем самым, снижает эффективность использования токопроводящего медного слоя. Длительные процессы нагрева слитков в методических печах и их прокатки сопровождаются значительным угаром меди.

Большинство из перечисленных недостатков неотъемлемо обусловлены данным способом и их полное устранение путем совершенствования существующей технологии принцшгиально невозможно.

Сравнительный анализ отечественного стандарта на биметаллическую сталемедную проволоку ГОСТ-3822, разработанного с учетом возможностей металлургического способа, со стандартами ведущих промышленно развитых стран (США, Германия, .Япония) показал пониженный уровень требований к основным потребительским свойствам отечественной продукции и подтвердил необходимость радикального изменения технологии на основе современных прогрессивных тенденций развития производства изделий из слоистых композиционных материалов.

В результате технико-экономического анализа и предварительных исследований была принята технология, основанная на соединении компонентов в твердой фазе с непрерывным формированием заготовки.

Обеспечение высокого качества твердофазного соединения разнородных металлов при их совместной прокатке в калибрах с заданным формоизменением заготовки потребовало постановки и решения широкого круга научных и технических задач.

При выполнении конкретных разработок учтены основополагающие концепции совместной пластической деформации разнородных металлов, сформулированные в трудах И.М.Павлова, Г.Э.Аркулиса, В.Н.Бринзы, Е.И.Астрова, С.А.Голованенко, Л.В.Меандрова, П.И.Полухина, Б.В.Кучеряева, А.Г.Кобелева, А.Г.Залазинского, А.В.Архангельского, Б.А.Арефьева, С.З.Сапожникова, М.Г.Полякова, Ю.И.Коковихина, П.И.Денисова, Б.А.Никифорова, С.И.Ковалева, В.Н.Чернышова, П.Ф.Засухи и др.; концепции пластичности и разрушения, сформулированные в трудах В.Л.Колмогорова, А.А.Богатова, С.Н.Журкова, В.Е.Панина, Ю.В.Гриняева, В.В.Федорова, Н.Р.Регеля и др.; концепции активированных состояний в металлах и образования твердофазных соединений, сформулированные в трудах Г.Эйринга, К.А.Осипова, М.Х.Шошорова, Ю.Л.Красулина, Э.С.Каракозова, А.П. Семенова, В.П.Алехина, Р.А.Мусина и др.

Цели її задачи работы. Диссертационная работа обобщает результаты разработок и исследований, направленных на достижение следующих целей:

разработка, исследование и промышленное освоение новой экологически безопасной технологии получения длинномерных биметаллических изделий (проволоки, фасонных профилей и др.) и создание технологической линии для их производства;

комплексное решение проблемы очистки металлических поверхностей на основе новых научно-технических разработок;

создание новой экологически безопасной технологии формирования функциональных металлических покрытий из различных металлов применительно к широкомасштабному производству металлопроката, труб, проволоки и других изделий массового назначения.

В работе были сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. На основе анализа современных прогрессивных тенденций развития технологий получения биметаллической проволоки обосновать выбор нового варианта и разработать технологию ее получения.

2. С целью оптимизации температурного и деформационного режимов получения биметаллической заготовки твердофазной сваркой компонентов провести следующие теоретические исследования:

термодинамический анализ энергетического вклада технологических операций в активированное состояние компонентов биметалла;

термодинамический анализ температурной зависимости изменения свободной энергии активации образования активных центров на поверхности металла для обоснования необходимого энергетического вклада процесса пластической деформации;

оптимизация температурного режима процесса совместной пластической деформации компонентов биметалла для их сварки в твердом состоянии;

системный анализ влияния напряженно-деформированного состояния металла на развитие активационных процессов, обусловливающих сварку давлением.

3. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования горя
чей прокатки составной заготовки в двухвалковых и четырехвалковых калиб
рах с целью выбора условий деформирования на основе сопоставления ре
зультатов совмещенных процессов сварки компонентов с их формоизменени
ем. Для проведения теоретического анализа процессов осуществить с исполь
зованием результатов экспериментальных исследований:

математическое моделирование формоизменения компонентов в объеме очага деформации при прокатке в калибре с многосторонним обжатием;

математическое моделирование кинетики адгезионного взаимодействия компонентов.

4. Разработать высокоэффективные экологически безопасные способы

очистки металлической поверхности и устройства для их реализации. На основе системного анализа совмещенных процессов очистки с нагревом заготовки и очистки с формированием покрытий разработать новые технологии получения биметаллической проволоки и изделий с металлическими покрытиями.

5. Разработать, создать и освоить опытно-промышленную технологическую линию для получения биметаллической сталемедной заготовки (проволоки).

3. Разработана, исследована и реализована в промышленности новая технология производства биметаллической сталемедной проволоки, основанная на непрерывном оборачивании стального сердечника медной лентой, электроразрядной очистке металлической поверхности и твердофазном соединении компонентов горячей прокаткой в калибрах. Разработаны научные основы новой технологии.

4. Предложена физическая модель активных центров, образующихся при межслойном взаимодействии металлов в процессе совместной пластической деформации, стабилизирующих процесс посредством развития адгезионного взаимодействия и обеспечивающих условия формирования твердофазного соединения компонентов биметалла.

5. Разработан энергетический принцип анализа совместного вклада температурного и деформационного режимов обработки металлов давлением в изменение свободной энергии активации образования активных центров. Получены уравнения, описывающие температурную зависимость ісменения свободной энергии активации для различных металлов, железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода. Получены уравнения для определения оптимальных температурных режимов совместной пластической деформации разнородных металлов (СПДРМ) по критерию максимальной прочности твердофазного соединения компонентов в биметаллах, включающих стали и сплавы с различным содержанием углерода. Конкретизация оптимального температурного режима СПДРМ совместно с температурной зависимостью изменения свободной энергии активации позволяют непосредственно определять оптимальную величину работы деформации, необходимой для образования активных центров в металле, т.е. возникновения в локальньж объемах квазижидкого вязкого течения. Получены уравнения для определения объемов активных центров для различных металлов.

6. Осуществлен системный анализ влияния напряженно-деформированного состояния на развитие активационньгх процессов в металлах при пластической деформации. На основе кинетической теории абсолютных скоростей реакций получены и проанализированы дифференциальные уравнения кинетики для двух наиболее характерных групп механизмов, контролирующих процесс -

адаптивной и диссипативной. С учетом взаимосвязи структурно-энергетического и напряженно-деформированного состояний, включая сильновозбужденное состояние, характеризуемое стационарным вязким течением, получены зависимости для сопротивления и скорости деформации, относительной величины диффузионной подвижности атомов в металлах и линейной скорости вязкого течения. Полученные результаты объясняют аномальный характер течения поверхностных слоев металлов при межслойном взаимодействии, интенсивности диффузионных процессов, приводящих при достижении равномерной СПДРМ к интенсивнодгу возрастанию прочности соединения компонентов в биметалле.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований сформулирована гипотеза формирования биметаллического соединения горячей прокаткой. Разработана и исследована математическая модель, описывающая кинетику адгезионного взаимодействия компонентов, стабилгаирующего процесс совместного пластического течения и определяющего условия перехода к равномерной СПДРМ. Принципиальным достоинством разработанной модели является то, что в ней учитываются кинетические условия образования твердофазного соединения с учетом механических свойств и состояния взаимодействующих поверхностей, температуры и напряженно-деформированного состояния на участках контакта.

6. Разработана и исследована математическая модель формоизменения биметаллического профиля в объеме очага деформации при прокатке в четырех-валковом стрельчатом калибре.

7. Разработаны новые высокоэффективные экологически безопасные технологии очистки металлігческой поверхности и формирования функциональных металлических покрытий, основанные на применении высокочастотных электрических разрядов в газообразных средах и совмещенных электрофизических и электрохтшческих процессов (ЭФЭХ-процессов) в жидких средах. Согласно выдвинутой в работе гипотезе, касающейся природы совмещенных ЭФЭХ-процессов, возникновение электрических разрядов в среде на обрабатываемой поверхности обусловлено саморазвитием электрических процессов в локальных объемах среды, приводящих к ее перегревши неустойчивости и тепловому пробою («тепловому взрыву»). Получены уравнения для определения критических значений электрического напряжения и напряженности электрического поля, при которых возникает тепловой пробой. Гипотеза позволяет обосновать комплексный характер воздействий на обрабатываемую поверхность и приобретение ею новых специфических свойств (в частности, повышенную коррозионную стойкость и др.), которые были выявлены в результате экспериментов. Создан ігоинщшиально новый способ формирования металлических покрытий, основанный на совмещении процессов очистки поверхности и получения покрытия. Выполненные разработки и исследования явились основой

развития нового научно-технического направления в создании экологически безопасных технологий очистки поверхности металла от окалины, ржавчины и других загрязнений, а также получения изделий с различными металличесіаши покрытиями.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Ре-зультаты технологических и конструкторских разработок реализованы в виде непрерывной линии для сборки составной биметаллической заготовки и ее горячей прокатки в цехе биметалла Магнитогорского метизно-металлургического завода; обеспечивающего фактически весь объем биметаллической сталемедной проволоки России. Созданная непрерывная технологическая линия не имеет аналогов в отечественной практике.

Переход на новую технологию позволил решить актуальную проблему получения отечественной биметаллической проволоки, соответствующей уровню мировых стандартов.

Экологический и социальный аспекты. Технические решения, реализованные в новой технологии, основаны на экологически безопасных процессах. Ликвидация вредных выбросов в окружающую среду в связи с уходом от металлургического способа производства является очень валсным фактором в условиях города Магнитогорска и региона в целом.

Новая технология полностью исключила трудоемкие процессы и связанный с ними тяжелый ручной труд. Высокий уровень наукоемкости новой технологии выдвинул повышенные профессиональные требования к обслуживающему персоналу, его образовательному уровню и квалификации.

Технико-экономический аспект. Новая технология, по сравнению с металлургическим способом, обеспечила существенное улучшение потребительских свойств готовой продукции. Это касается, прежде всего, сохранения строгой коаксиальное взаимного расположения компонентов в изделии при отсутствии искажения исходной круглой формы стального сердечника. Этим достигается повышение стабильности электропроводности по длине проволоки и соответствующее снижение потерь в линиях электропередач. Существенно меньшая толщина переходной (диффузионной) области в зоне биметаллического твердофазного сварного соединения (7-8 мкм) по сравнению с металлургическим способом (30-40 мкм) обеспечивает более полное использование электропроводящих свойств меди. В частности, при производстве биметаллической проволоки марки БСМО диаметром 4,0 мм по ГОСТ 3822 при металлургическом способе производства необходимо объемное содержание меди в композиции не менее 42-43% для достижения требуемого электросопротивления не более 3,8 Ом/км. Эквивалентные электрические свойства такой проволоки, получаемой по новой технологии, достигаются при объемном содержании меди в композиции 33-35% При годовом объеме производства 4500 тонн реальная экономия меди превышает 400 тонн. Высокие

потребительские свойства новых освоенных видов продукции вызвали значительный спрос на ее применение в изделиях электронной промышленности (ПО «ТОР» п. Томилино Московская обл., завод «Цветотрон» г.Брест и др.). В частности , для электровыводов, используемых в полупроводниковых силовых диодах, выпускаемых по технологии голландской компании «Philips» (ПО «ТОР»), на линии был освоен выпуск сталемедной проволоки диаметром 0,78 и 1,3 мм с содержанием меди не менее 70%, а для электровыводов резисторов, конденсаторов и др.-элементов электронной техники (завод «Цвето-грон» г.Брест) - проволоки с содержанием меди 24%.

Возможности совмещенных электрофизических и электрохимических процессов (ЭФЭХ-процессов) в создании новых технологий получения слоистых композиционных материалов, в том числе, металлов с различными функциональными покрытиями и биметаллов иллюстрирует рис. 1. Из рисунка видно, что при получении биметалла сваркой давлением металлов Mi и М₂, вследствие совмещения процесса очистки с нанесением металла М₂ на поверхность М_ь в меж-слойном взаимодействии при совместной пластической деформации должны участвовать только одинаковые металлы. С термодинамической точки зрения такой процесс является наиболее выгодным, открывающим перспективы создания оптимальных технологий получения высококачественных соединений разнородных металлов.

Полученные в работе результаты обширных экспериментальных исследований совмещенных ЭФЭХ-процессов при очистке и формировании покрытий позволил выявить ряд их преимуществ принципиального характера в сравнении с традиционными технологиями нанесения покрытий, широко распространенными в металлургии, машиностроении и др. отраслях.

1. Исключается необходимость в выполнении самостоятельных операций по подготовке поверхности металла перед нанесением покрытий и в дополнительных затратах электроэнергии на эти операции, упрощается структура агрегата и его инфраструктура.

2. Не требуется для каждого віща покрытия создания специализированных агрегатов (лужения, цинкования и др.), как принято в настоящее время по традиционным технологическим схемам. По предлагаемому способу покрытия 1С различных металлов могут быть получены на одном и том же агрегате.

3. На агрегате нового типа возможно гибкое использование различных схем осуществления технологического процесса.

4. Возможно и экономически целесообразно использование отходов традиционных производств (например, нанесения покрытий из расплавов металлов) в качестве исходного сырья для получения солей, применяемых в новой технологии.

Слоистые металлические композиционные материалы (СКМ)

Металлы с покрытиями

Биметаллы

б) Традиционные способы получения СККГ

Формирование металлических Сварка давлением

покрытий

металлов

разнородных

покрываемая поверхность

соединяемые металлы

очистка поверхности

очистка поверхностей

различные способы получения покрытий

различные способы соединения разнородных металлов

в)

Новый способ на основе совмещенных ЭФЭХ-процессов

' 1

совмещение очистки с формированием покоытия

—*

Сварка давлением однородных металлов

Рис. 1. Схема, иллюстрирующая возможности совмещенных ЭФЭХ-процессов в создании технологий получения слоистых композиционных материалов

5. Достигается существенное расширение сортамента металла с покрытиями за счет включения в него горячекатаного металла с широким диапазоном геометрических размеров.

6. Новая технология является экологически безопасной, так как не предполагает использование агрессивных и токсичных сред и не имеет собственных вредных выделений.

Очистка поверхности стальной проволоки перед ее оборачиванием медной лентой на непрерывной технологической линии производства биметаллической сталемедной проволоки в цехе биметалла ОАО «МММЗ» осуществляется способом совмещенных ЭФЭХ-проиессов.

Представленная совокупность решений используется в учебном процессе преподавателями, аспирантами, студентами по специальности «Обработка металлов давлением», а также научными и инженерно-техническими работниками этой специальности.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены

- на научно-технических конференциях:

мевдународных - International Composits Conferense, Moscow, april, 1990; International Conference Materials by Powder Technology PT-93, march, 1993, Dresden, Germany; 1^st International Symposium on Mis-Matching of Welds, april, 1995, Stockholm, Sweden; 2^nd International Symposium on Mis-Matching of Welds, april, 1996, Remstorf-Lunebnrg, Germany; «Новые технологии получения слоистых материалов и композиционных покрытий», Сочи, октябрь, 1992;

всесоюзных - «Новые технологические процессы прокатки, интенсифицирующие производство и повышающие качество продукции», Челябинск, 1984, 1989; «Калибровка валков сортовых станов», 1976, Днепропетровск; « Перспективы применения плазменной техники и технологии в металлургии и машиностроении», Миасс, 1986; Челябинск, 1988;

межгосударственной - «Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона», Магнитогорск, май, 1994;

республиканских - «Теоретические и прикладные проблемы развития наукоемких и малоотходных технологий обработки металлов давлением», Винница, 1991; «Физика и механика пластических деформаций порошковых материалов», Луганск, 1991; «Новые материалы и технологии», Москва, 1994: ,--_: .,

на заседании Научного Совета ГКНТ СССР по проблеме «Новьк? процессы в черной металлургии», Москва, 1989; Координационного СЪвета. пр направлению «Сталь-прокат» Государственной научно-технологической программы «Ресурсосберегающие и экологически чистые процессы металлургии и химии», Москва, 1989, 1990;

на всесоюзных научно-технических семинарах «Новые технологии

производства слоистых металлов, перспективы расширения сортамента и применения», Магнитогорск, 1987, 1989;

ежегодных конференциях - Магнитогорского государственного технического университета, 1979-1999;

на научно-технической конференции по проблемам защиты металлов от коррозии. Луизианский университет LSU, Батон-Руж, декабрь 1999, США.

Публикации. Содержание диссертации отражено в книге, 2 учебных пособиях и брошюре; 52 статьях, авторских свидетельствах и патентах на изобретения; 4 публикации - зарубежные.