Трение и смазки при обработке металлов давлением

Грудев А. П. Ю. В. 3ильберг, В. Т. Тилик.

Металлургия, 1982 г.

Налипание металла на инструмент повышает также адгезионную составляющую сил трения, т. е. способствует молекулярному схватыванию поверхностей. В зависимости от формы и размеров деформирующего инструмента, его механических свойств, требований к чистоте поверхности изделий и ряда других условий рабочие поверхности инструмента обрабатывают различным способом — точением, строжкой, фрезерованием, шлифованием, полированием, слесарным инструментом вручную. Реже применяют электроискровую обработку, обдувку дробью, обкатку роликом, нанесение гальванического покрытия, напыление и некоторые другие.

Поверхность валков блюмингов и обжимных клетей прокатных станов часто подвергают искусственному загрублению для улучшения захватывающей способности. С этой целью на дне калибров вырубают канавки или производят насечку поверхности пневматическими зубилами. Иногда наплавляют бугорки электродуговой сваркой. Широкое распространение получила накатка обжимных валков

зубчатым (рифленым) роликом. Таким способом удается создать на рабочей поверхности упорядоченные, не слишком высокие выступы, достаточные для повышения захватывающей способности валков и минимально влияющие на качество поверхности и проката.

Валки блюмингов после проточки калибров накатывают зубчатым роликом диаметром 60—120 мм из стали ШХ15или другой твердой стали (рис. 11). Зубцы на поверхности ролика имеют высоту 3— 4 мм. Усилие прижатия ролика к валку составляет примерно 4,00—5,00 кН на 1 мм длины. Длительность накатки составляет 3-4 часа.  На поверхности валка валков блюминга   образуются выступы высотой до 2 мм.     Стойкость рифления при работе составляет не менее 2—3 сут. Созданы устройства для накатки валков в прокатной клети. На непрерывных тонколистовых станах холодной прокатки для улучшения захвата рабочие валки первой клети после шлифования подвергают насечке чугунной или (реже) стальной дробью [3]. Шероховатость поверхности валков доводится до уровня Ra = 5—6 мкм (5-й класс).

Насечке подвергают также рабочие валки последней (чистовой) клети непрерывных станов холодной прокатки и дрессировочных станов. Основное назначение насечки — предотвращение сваривания полос в рулонах (или листов в пачках) в процессе отжига. Валки последней клети насекают до шероховатости Ra =2 — 3,5 мкм (5—6-й классы). Валки дрессировочных станов обрабатывают с учетом получения заданной микрогеометрии поверхности готовых листов; при производстве низкоуглеродистого конструкционного листа валки чаще всего имеют шероховатость после насечки Ra = 1,5н-2,5 мкм (6-й класс). В отдельных случаях искусственную шероховатость наносят на пуансоны и другой инструмент холодной листовой штамповки.

В процессе работы в результате износа шероховатость инструмента изменяется, в большинстве случаев она возрастает. Следует отметить, что деформирующий инструмент, особенно при горячей обработке давлением, работает в исключительно тяжелых условиях (при резких тепловых воздействиях, высоких контактных давлениях и т. д.). При холодной деформации с применением технологической смазки часто наблюдается выглаживание поверхности инструмента в процессе работы.

В процессе эксплуатации на поверхности инструмента образуются различные местные дефекты: трещины (отдельные и в виде сетки), царапины, выкрошивания, навары и др. Появление таких дефектов вызывает необходимость зачистки поверхности инструмента или его замены.

Особенно сильное влияние на трение оказывает налипание (наваривание) частиц деформируемого металла на инструмент. Различные металлы имеют неоди паковую склонность к налипанию. Очень активны в этом отношении многие цветные металлы: алюминий и его сплавы, титан, цинк, свинец и др., из черных металлов — нержавеющие стали типа Х18Н10.

В зависимости от вида металла и условий деформации характер налипания может быть разным. В некоторых случаях мелкие налипшие частицы образуют на поверхности инструмента тонкий равномерный налет. В других случаях возникает сыпь мелких бугорков. Но чаще всего налипание проявляется в образовании отдельных крупных наростов, прочно приварившихся к инструменту. Такие наросты особенно вредны, так как сильно повреждают поверхность изделий.

Один из основных способов борьбы с налипанием (наростообразованием) заключается в подборе материала инструмента, не склонного к схватыванию с деформируемым металлом. Как правило, чугуны лучше противостоят налипанию, чем стали. Наименьшей склонностью к схватыванию обладает белый чугун. Замена инструмента из полутвердого серого или магниевого чугуна инструментом из чугуна с отбеленной поверхностью позволяет почти полностью ликвидировать налипание. Положительные результаты могут быть достигнуты также путем химико-термической обработки инструмента или нанесением на его поверхность специальных покрытий (хромирование и др.).

Эффективным средством борьбы с налипанием является применение технологических смазок, хотя не всякая смазка гарантирует отсутствие налипания. Смазка должна обладать достаточно высокой экранирующей способностью. Особенно эффективны некоторые твердые смазки, в частности дисульфид молибдена.

Развитию налипания (наваривания) способствует увеличение пути и скорости контактного скольжения. Одним из способов борьбы с налипанием может быть уменьшение скольжения металла по инструменту.

При детальной оценке состояния поверхности инструмента нельзя не учитывать возможную анизотропию микрорельефа. При обработке резанием микрорельеф поверхности в продольном (по ходу движения резца) и поперечном направлениях получается неодинаковым. Поперечная шероховатость обычно бывает более грубой, чем продольная. По мере изнашивания инструмента в процессе работы начальная анизотропия микрорельефа поверхности ликвидируется, но может возникнуть вторичная анизотропия, обусловленная ориентированным расположением следов износа (царапин, борозд), а также образованием сетки разгара. Шероховатость поверхности инструмента, как и его химический состав, на протяжении очага деформации не изменяется (за исключением отдельных случаев).

Прессование

В работах [78, 79] изучали распределение контактных напряжений вдоль стенки контейнера при прямом и обратном прессовании свинцовых полос и прутков, а также при закрытой прошивке с образованием стакана. В исследованиях применяли поляризационно-оптический метод. Основные опыты проведены на плоских образцах размерами 60X40X6 мм при степени деформации 50%. Скорость прессования составляла 0,03 мм/с. Напряжения фиксировали при трех положениях пуансона относительно стенок контейнера. На рис. 60 показаны эпюры контактных напряжений, полученные при прямом и обратном прессовании плоских образцов. Установлено, что распределение напряжений при осесимметричной деформации лишь незначительно отличается от плоской деформации.

На рис. 61 показаны экспериментальные данные по распределению контактных напряжений вдоль стенки контейнера при закрытой прошивке х цилиндрических свинцовых образцов диаметром 40 мм и высотой 50 мм; диаметр пуансона 28 мм. Полированные поверхности вставок из оптически активного материала смазывали смесью машинного масла с графитом. Эпюры контактных напряжений получены через каждые 5 мм хода оправки-пуансона при общей глубине внедрения 37,5 мм (последняя ступень внедрения составляла 2,5 мм). Силы трения на протяжении образующей контейнера изменяют знак: на части поверхности они совпадают с движением пуансона (вблизи дна контейнера), а на другой части, где металл выжимается в зазор с образованием стенки стакана, они направлены против хода пуансона. Лишь при максимальной деформации (внедрении на 37,5 мм) силы трения по всей длине поверхности контейнера направлены против движения пуансона.

В работе Г32] поляризационно-оптическим методом исследованы контактные напряжения не только на стенке контейнера, но и на матрице. Изучали влияние формы канала матрицы на величину и распределение контактных напряжений. С этой целью применяли матрицы с каналами конусного (45е), выпуклого и вогнутого профилей. Прессованию подвергали плоские свинцовые образцы размерами 60X60X6 мм. Эпюры контактных напряжений для наиболее распространенных матриц с конусным каналом приведены на рис. 23.

9.6.                       Получение мыльного порошка

Поставляемую по ТУ РСТ УССР 495—78 стружку натриевого мыла сушат на жаровнях при температуре 80—100 °С до влажности 1—3 % , и подвергают размолу в шаровых барабанах до получения частиц размером порядка 2,5 мкм. При использовании мыла с наполнителями в барабаны вместе с мыльной стружкой засыпают порошок талька, молотую гашеную известь. Смесь мыльного порошка с MoS2 получают перемешиванием в галтовочных барабанах либо размолом массы, полученной сплавлением мыла с MoS2. Последний способ обеспечивает получение более эффективной смазки. Сплавлением натриевого мыла с известью можно получить смазку, содержащую кальциевое мыло.

9.7.                      Получение смазок с наполнителями

Наполнители вводят в готовые смазки или в процессе приготовления смазки. Если при использовании наполнителя требуется сохранить постоянство реологических свойств основы смазки, то его вводят в готовую смазку при ее гомогенизации. Если же наполнитель должен принять участие в формировании структуры смазки, то его следует вводить в процессе приготовления смазки, т. е. при температуре, превышающей температуру плавления загустителя. Свойства смазок можно варьировать подбором наполнителей и изменением соотношения между наполнителем и загустителем. Способ введения наполнителей практически не сказывается на эффективности смазок.

Для повышения активности наполнителей их предварительно отмывают от примесей, подвергают термообработке, кипячению в воде и других растворителях, активизации щелочами и т. п.

Для получения смеси масла с тальком в бак, оборудованный механической мешалкой, загружают требуемое количество масла, небольшими порциями добавляют тальк и перемешивают до получения однородной массы. Для получения смеси мыла с серой и водой в емкость загружают мыло и воду, смесь подогревают острым паром до получения однородной массы (часть воды поступает за счет конденсации пара), затем добавляют серу. Кусковую серу предварительно измельчают на краскотерке.

9.8.                       Получение силикатных смазок

Стеклосмазки получают либо из боя промышленного стекла, либо путем варки стекол специального состава. Сырьем для шихты служат кварцевый песок SiO,, кальцинированная сода Na2CO3, глинозем А!2О3, каолин Al2O3-2SiO2-2H2O, натриевый полевой шпат Na2O.A!2O3.6H2O, натриевая селитра NaNO3, кремне-фосфористый натрий Na2SiPe, доломит (углекислый магний) MgCO3, периклаз (окись магния) MgO, барий азотнокислый Ва (NO3)2, витерит (углекислый барий) ВаСО3, криолит Na3AlFe, рутил (двуокись титана) ТЮ2, калий азотнокислый KNO3, поташ К2СО3, калиевый полевой шпат, мел или известняк СаСО3. плавиковый шпат (фтористый кальций) CaF, цинковые белила (окись цинка) ZnO, сурик свинцовый (закись свинца) PbsO4, борная кислота' Н3ВО3, бура кристаллическая (тетраборнокислый натрий) Na2B4Or 10H3O и кальцинирован ная Na2B4O7, двуокись циркония ZrO2 и циркон ZrO2SiO2. В состав многих стеклосмазок входит борный ангидрид, поэтому для приготовления смазок иногда !используют бораты различных металлов, имеющих температуру плавления от teO (борат свинца РЬО-В2О3-Н2О) до 1250 °С (борат циркония 'ZrO2B2CyH2O). Шихтовые материалы дробят, просеивают и тщательно перемешивают [164].

Для варки специальных стекол используют небольшие ванные печи емкостью до 500 кг, а также тигельные и горшковые печи. В зависимости от состава шихты температура варки обычно от 1180 °С до 1500 °С. После выдержки в течение 3—4 ч стекломассу выливают в воду с получением гранулята (эрклеза). Грану-лят можно кристаллизовать выдержкой при заданной температуре. Иногда в качестве стеклосмазок используют непроварившуюся стекломассу (фриту). Фриша, в отличие от эрклеза, неоднородна по составу, содержит частицы нерасплавив-шегося песка и другие включения.

Гранулят или фриту подвергают помолу на щековых дробилках. Полученные гранулы размером более 5 мм размалывают на валковых или молотковых мельницах и рассеивают на фракции. Максимальный размер частиц после такого помола 1,0 мм, минимальный — 0,1 мм. Для получения более тонкого помола используют бегуны, шаровые и вибрационные мельницы. Стекло тонкого помола идет на приготовление суспензий. Металлургические гранулированные шлаки просеивают и обрабатывают в магнитных сепараторах для удаления железосодержащих частиц.

Природные минералы дробят до фракций, обеспечивающих механическое отделение ненужных пород, а затем плавят. Сплавленную и тщательно перемешанную массу охлаждают и измельчают, обогащают порошкообразными добавками до 3—5 % (окисью натрия, окисью кальция, плавиковым шпатом, снижающими температуру плавления смазки, борным ангидридом). Полученную смесь снова плавят, охлаждают и измельчают. В зависимости от исходного состава требуемых свойств и количества добавок плавления и измельчение массы проводятся от 3 до 5 раз [199].

Для производства смазочных шайб порошок стекла, горных пород или шлака смешивают с водным раствором натриево-содового или сульфатного стекла (10 весовых частей порошка, 1 часть жидкого стекла, 1—2 части воды). Полученная густая паста формуется в шайбы в штампах на вертикальных прессах. Отформованные шайбы просушивают в сушильном шкафу [164]. Стеклосмазки изготавливают Днепропетровское объединение по производству стройматериалов (основной поставщик), Московский опытный и Ленинградский стекольные заводы,   Государственный   институт стекла.

Для приготовления стеклянных суспензий в смесь стеклопорошка и стабилизатора (Часов-Ярская глина в количестве 3—12 % от массы порошка) добавляют воду и крепитель (казеиновый клей в количестве 2 % от массы порошка), смешивают в шаровой мельнице с применением фарфоровых шаров диаметром 30—40 мм в течение 6—8 ч. Полученную массу процеживают через сита и разбавляют водой до плотности 1600—1620 кг/м* для штамповки и 1700— 1750 кг/м? для прессования (примерно 4,0 кг воды на 1 кг порошка). Если в качестве крепителя используется сульфитно-спиртовая барда или жидкое стекло (8—12 % от объема суспензии), то их добавляют в массу непосредственно перед употреблением [146].

Смазки для прокатки труднодеформируемых сталей и сплавов на четырехвалковых станах

Нержавеющие стали характеризуются высокими прочностными свойствами, интенсивным упрочнением при холодной деформации и большой склонностью к налипанию на валки. Для прокатки этих сталей необходимо применять эффективные смазки, значительно снижающие величину сил трения и обладающие достаточной экранирующей способностью. После прокатки эти стали проходят тщательную очистку поверхности путем обработки растворителями (керосин, трихлорэтан и др.), термическую обработку в непрерывных проходных печах в окислительной или защитной атмосфере, глубокое травление (при термообработке в окислительной атмосфере). Поэтому для прокатки их можно использовать высоковязкие масла, оставляющие на поверхности металла толстые смазочные слои. Для лучшего удаления смазки на последующих переделах практикуется орошение керосином верхней поверхности полосы после прокатки в последнем проходе. Обязательным условием при этом является равномерное распределение смазки по ширине полосы во избежание разнотонности поверхности. На заводе «Запорожсталь» при прокатке сталей типа Х18Н10Т конечным размером 0J—2,0X1000 мм на реверсивном стане кварто 1680 применяют масло П-28. Замена масла И-20А маслом П-28 позволила повысить обжатие с 50 до 82 % за передел без промежуточной термической обработки и травления, увеличить толщину подката с 3,0 до 3,8 мм, уменьшить число проходов [233]. В настоящее время масло П-28 является основной технологической смазкой, применяемой при прокатке нержавеющей стали за один передел на ряде станов. [234].

Для прокатки труднодеформируемых нержавеющих сталей 10Х14П4НЗ, 10Х14АГ15, 09Х16Н45, 12Х17Г9АН4, Х15Н5Д2Т, которые отличаются от обычных нержавеющих повышенной прочностью и склонностью к наклепу, применяют отработанное хлопковое масло вязкостью v100 = 100 мм2/с [235], может применяться и смазка «Металлургическая».

Для улучшения условий отделения прокладочной бумаги (перед задачей в проходную печь) поверхность полос после прокатки в последнем проходе орошают   керосином.

При прокатке узких полос (менее 500 мм) из нержавеющих сталей толщиной более 0,5 мм применяют эмульсии эмульсолов Э-2 (Б) и ЭТ-2. Для снижения усилий прокатки на концы полос наносят смазку ЛЗ-142. При прокатке узких и тонких лент из высокопрочных сталей применяют растительные масла, в частности, касторовое. Известны [236] рекомендации по применению для прокатки лезвийной ленты из стали 60X13 толщиной от 3,0 до 1,8—2,0 мм эмульсии (8— 10%) смазки СОТС-1М (минеральное масло И-12А с добавками осерненного кориандрового масла и комплексного эмульгатора); при последующей прокатке до толщины 0,6 мм, помимо 8—10%-ной эмульсии СОТС-1М, используют дополнительную смазку, состоящую из 30—59 % масла К-2 и 50—70 % масла И-12А. При прокатке ленты толщиной от 0,6 до 0,1 мм применяется масло СОТС-3 (трансформаторное масло с добавками смазки К-2, присадки ИДДФ, трибутилфосфата, ионола). Эти смазки по смазочной способности превышают маловязкие минеральные масла и эмульсии стандартных эмульсолов.

При полистной прокатке труднодеформируемых сталей в основном применяются технологические смазки со сравнительно низкой смазочной эффективностью (по условиям захвата). На стане 2800 прокатку листов из нержавеющих сталей ведут сначала с повышенными обжатиями и подачей 5—7 %-ной эмульсии из эмульсолов Э-2 (Б), ЭТ-2, Т или масла И-20А, а затем на новых рабочих валках проводят чистовую прокатку за один—два прохода с малыми обжатиями и подачей масла И-20А или свежей эмульсии из указанных эмульсолов. В чистовых проходах смазка используется однократно, что способствует улучшению качества поверхности готовых листов.

На стане 1600 прокатку листов из нержавеющей стали проводили с использованием масла И-20А, причем листы толщиной 0,8—1,0 мм из подката 2,0 мм получали в два передела. Применение масла U-52 в смеси с И-20А или же масла И-20А с добавками 10—25 % жировых смазок, в частности Кориандр-2, позволило проводить прокатку таких листов в один передел соответственно за 8—9 и 6—7 проходов [237, 238].

На реверсивном стане 1680 прокатка полос толщиной 0,8—2,0 мм из низко-и среднелегированных сталей (типа 12Г2, 25ХГСА, ЗОХГСА) проводят с применением эмульсии из эмульсолов Э-2 (Б), Т. При прокатке высокопрочных сталей используют масло П-28; охлаждение валков осуществляется водой или эмульсией.

При прокатке высокопрочных сталей и сплавов (Х15Н5Д2Т, ХН60ВТ и др.) на реверсивном стане 1300 на толщину 0,8—1,2 мм применяют смазку СПТ-4 взамен ранее применявшегося масла И-30А, при этом на 2—4 сократилось число проходов [239].

При прокатке сплавов 29НК, 79НМ, Н36Т, 50Н и других на станах 400, 550 применяют эмульсии СОТС-1М и ЭКМ-1 (на основе смазки кориандр-2 и моноэтаноламида). При прокатке тонких лент (толщиной 0,2—0,5 мм) из этих сплавов дополнительно рекомендуется наносить на полосу тонким слоем смесь масла К-2 с 25—30% керосина или 50% масла И-12А. С применением этих смазок снижаются энергосиловые параметры прокатки, и уменьшается загрязненность лент в сравнении с эмульсией Э-2 (Б) [240].