17.11.2012
Волочение медной проволоки. Смазочные материалы.

   При получении проволок из цветных металлов наибольшее значение имеет волочение медной проволоки в связи с ее широким применением в электрической и электронной промышленности, хотя в последнее время в связи с использованием оптоволоконных кабелей и широким применением алюминия роль меди несколько снизилась.
   Медную проволоку производят толщиной от 20 мм до 10 мкм. При производстве разной по толщине проволоки происходит различное уменьшение поперечного сечения (ε): для грубой проволоки ε ~ 25%, для сверхтонкой проволоки ε ~ 9%, что соответствует удлинению проволоки на 33% для грубой и на 10% для сверхтонкой проволоки. Производство медной проволоки с различной прочностью на разрыв возможно только с использованием процессов формования. В отличие от стали медь не обязательно подвергать отжигу и отпуску. При работе с медью с сильно различающимися пределами текучести в зоне смазочного материала создаются различные давления. Прочность на разрыв для прочной проволоки и жесткой проволоки для пружин составляет >370 Н/мм², а для мягкой — 200-250 Н/мм².
   При производстве проволоки металл и способ производства оказывают влияние на трение, износ и выбор применяемого смазочного материала. Старый и широко используемый способ производства прокатанной (вальцованной) проволоки основан на использовании литых заготовок, которые сплавляют, а затем прокатывают в горячем состоянии. По методу Саусваэ (Southwire) расплавленная медь застывает в прорези литого барабана. Полученный медный прут прокатывают непосредственно в горячем состоянии. При погружном формовании нарезанную медную проволоку протягивают через бандаж, а потом прокатывают в горячем состоянии; процессы погружения и прокатки выполняются в атмосфере инертного газа. Соответственно, получаемая проволока имеет очень низкое содержание кислорода — не более 20 мг/кг. Горячая прокатка приводит к образованию на поверхности проволоки оксидной пленки, за исключением процессов погружного формования. Перед последующим волочением оксидная пленка легко удаляется протравкой с использованием разбавленной кислоты. Матовая поверхность проволоки имеет характерный протравленный профиль, зачастую пористый. Мягкая пористая поверхность удаляется очисткой (пилинг). При погружном формовании проволока сразу получается с чистой поверхностью и беспористой структурой. Поскольку протравка и очистка для нее не требуются, данным методом получают тонкую и сверхтонкую проволоку. В связи с тем, что используемое сырье имеет разные свойства, к системам смазки предъявляются различным требования, которые зависят не только от количества получаемой проволоки. Например, процесс погружного формования требует концентрированных высококачественных смазочных материалов.

Смазочные материалы

При волочении используют смазочные материалы только на водной основе. На начальных стадиях волочения или при подготовке к волочению применяют специальные высоковязкие смазочные материалы или концентраты для создания оптимальных условий волочения при низких скоростях протягивания. Эти смазочные материалы должны быть совместимы со смазочными материалами, которые применяются на последующих операциях.
   Для мокрого волочения основными смазочными материалами являются эмульсии. Кроме них, используют специальные комплексные растворы, не содержащие минеральных масел и жирных масел. В небольших количествах иногда используются растворы синтетических соединений. Смазочные материалы в зависимости от основ могут быть разделены на три основные группы (табл. 1).

 

На практике они различаются в основном по степени дисперсности или растворимости в воде. Эмульсии могут различаться по степени эмульгирования: от грубо диспергированных с размерами капель до 5 мкм до очень тонкодисперсных с размерами капель менее 1 мкм. Таковы, к примеру, коллоидные растворы мыл и высокоэффективные комплексные растворы. Другие синтетические растворы могут представлять собой истинные или частично коллоидные растворы. Назначение производимой проволоки также имеет значение при выборе смазочного материала и зависит от толщины пленки и качества используемого материала. Параллельно с развитием смазочных материалов велись работы по разработке высокоскоростного волочения и повышались требования к качеству поверхности. Большое значение приобретает чистота поверхности и способность к покрытию эмалью. При производстве высококачественной проволоки толщиной 10 мкм из исходной проволоки толщиной 8 мм со скоростью волочения до 50 м/с требуется около ста стадий волочения, на каждой из которых применяются смазочные материалы. Средняя скорость волочения составляет 20—25 м/с. Стандартный смазочный материал в данном случае неприменим, так же как и отдельные смазочные материалы для каждой ступени. Поэтому в настоящее время при мокром волочении обычно различают две группы смазочных материалов: применяемые для типов проволоки от грубой до средней и от средней до тонкой. Возможно использование специальных смазочных материалов для сверх- и гипертонкой проволоки.

Концентрация смазочных материалов

Несмотря на различие типов смазочных материалов, их концентрация зависит от вида изготовляемой проволоки (табл. 2).

 

Концентрация определяется содержанием жирных компонентов. В случаях, когда централизованная смазочная система охватывает производство нескольких видов проволоки, для снижения себестоимости допускается компромиссное решение. В настоящее время создаются волочильные станы, на которых возможно производить проволоку различного качества и назначения (включаются операции очистки, травления, погружного волочения и пр.).

Растворимость медьсодержащих продуктов

При волочении одно- и двухвалентные ионы меди могут взаимодействовать с компонентами смазочных материалов, в первую очередь с продуктами окисления жирных компонентов и других ингредиентов. При этом обычно образуются соли меди. Кроме того, образуются мылоподобные продукты реакции ионов меди и анионных ПАВ. Изучение эмульсий позволяет оценить количество гидрофобных медьсодержащих продуктов, содержащихся в масляной фазе, за счет которых масляная фаза часто проибретает зеленоватый цвет. Медьсодержащие продукты могут быть и гидрофильными, в виде аминокомплексных солей меди, из-за чего водная фаза становится голубоватой. В любом случае медьсодержащие компоненты снижают электропроводимость эмульсии.

 Качество воды и электролитическая стабильность эмульсий

Эмульсии для волочения меди часто смешивают с водой для повышения жесткости, чтобы избежать проблем, связанных с пенообразованием на свежих эмульсиях. При недостаточном пенообразовании деминерализованная (деионизованная) вода используется только в централизованных системах или на отдельном оборудовании. Ключевым значением для оценки содержания солей в эмульсии является электропроводность, определяемая в микросименсах или миллисименсах на сантиметр (мкСм/см или мСм/см).
   За счет испарения мягкой воды электропроводность увеличивается менее сильно по сравнению с использованием жесткой воды. Разбавление деминерализованной водой незначительно изменяет электропроводность эмульсии. При достижении так называемого предела электропроводности эмульсия становится нестабильной. Эта величина варьирует для различных смазочных материалов и зависит, с одной стороны, от типа и объема электролита, а с другой — от состава смазочного материала и его концентрации. Опыт показывает, что двухвалентные катионы (в основном щелочноземельных металлов) дестабилизируют эмульсию сильнее, чем катионы щелочных металлов. При высокой температуре или высокой электрической нагрузке происходит необратимое расслоение фаз эмульсии. Вместе с медьсодержащими продуктами образуется пастообразная масса, содержащая медь, которая забивает систему смазки и плохо удаляется. В связи с этим производители смазочных материалов рекомендуют использовать деминерализованную воду только для восполнения потерь при испарении. Как правило, дистиллированную воду используют только при повышенных требованиях к чистоте поверхности или необходимости покрытия поверхности эмалью.
На практике специальных лабораторных методов оценки смазочных материалов с точки зрения их смазочного действия и защиты от воздействия воды не существует. Обычные методы, приведенные в табл. 3, применяются для свежих и отработанных эмульсий. Возможно также использование ряда дополнительных методов.

 

Обычно рН эмульсии находится на уровне 7,5-9. Снижение рН приводит к нестабильности эмульсии. С другой стороны, из-за различия электрохимических потенциалов меди и железа наблюдается коррозия оборудования и трубопроводов (в худшем случае — выкрашивание). Значение содержания меди в эмульсиях неоднозначно. При содержании меди от 500 до 2000 мг/л, зависящего только от смазочного материала, волочение медной проволоки протекает без затруднений, однако даже незначительное содержание растворенной меди весьма изменяет электропроводность эмульсии.

 Температура смазочных материалов

Специальные холодильники необходимы только в том случае, когда выделяющееся при волочении тепло не отводится в окружающую среду, что характерно, например, для волочения грубой проволоки. Современные эмульсии волочения работают при температуре 30-45 °С. Повышение температуры на входе увеличивает эффективность эмульсий. Для компенсации влияния температуры эмульсии на процесс волочения на волоках и барабанах часто применяют специальное контрольно-измерительное оборудование, которое управляет подогревом эмульсии до температуры применения после остановок.

 Влияние смазочных материалов на поверхность для эмалирования

Компоненты смазочных материалов не должны ухудшать адгезию, смачиваемость и скольжение в процессе волочения. С учетом последующего эмалирования медной проволоки в смазочных материалах необходимо учитывать возможность образования газов в термических процессах, где температурный режим и тип эмали не в состоянии полностью корректировать ход процесса из-за большого количества влияющих параметров. Лабораторных методов определения пригодности смазочных материалов для последующего эмалирования не существует, и их пригодность определяется экспериментально.

 Циркуляционные системы и очистка эмульсий волочения

Как было указано выше, срок службы эмульсии для волочения зависит от рабочего объема. При низкой скорости циркуляции (т. е. объеме эмульсии, циркулирующем в единицу времени) возможна эффективная очистка эмульсии, поскольку основная часть образующихся в результате износа медных частиц удаляется седиментацией. В большинстве случаев используют также гидроциклоны и бумажные фильтры. Абразивные частицы размером 10—25 мкм отделяют осаждением и с использованием гидроциклонов, а для удаления частиц размером до 5 мкм используют бумажные фильтры. Медь может быть также удалена из эмульсий посредством флотации. В качестве возможного способа снижения содержания меди испытывали электролиз эмульсий волочения на байпасе с последующим восстановлением металлической меди. Очистка эмульсий, содержащих медь, является сложной задачей. Перед сбросом отработанной воды в заводской коллектор содержание меди должно быть минимизировано. В зависимости от условий производства могут применяться испарение, а также химические и электрохимические методы разрушения эмульсии. Ультрафильтрация позволяет отделять масляную фазу, однако обычно ее не применяют из-за высокой стоимости и ограничений по качеству отработанной воды.



Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.