Смазочно-охлаждающие жидкости для волочения медной проволоки

Качество медной проволоки, широко применяемой в электротехнический и электронной промышленности, во многом зависит от правильного выбора и рациональной эксплуатации смазочно-охлаждающей жидкости, используемой при ее волочения. Такие СОЖ в широком ассортименте предлагаются отечественными и зарубежными производителями.

Металлы обрабатываются резанием и давлением. В обработку металлов давлением входят такие операции как прокатка, прессование, глубокая вытяжка, волочение и т.п. В процессе обработки металла выделение тепла обусловлено трением между деталью и инструментом и в зависимости от твердости металла может быть причиной повышения температуры до 1000оС и более.

Трение при обработке металлов давлением называют пластичным потому, что деформируемый металл находится в состоянии общего пластического течения. Вследствие пластической деформации обрабатываемого металла резко повышается плотность контакта поверхностей: инструмент-металл, растет отношение площади контактных поверхностей к их объему. При этом разрушаются окисные пленки на поверхности металла, и происходит схватывание между контактирующими поверхностями на молекулярном уровне. Микронеровности поверхности инструмента вжимаются в поверхность металла и создают местную дополнительную деформацию.

При пластичном трении на контактной поверхности развиваются большие нормальные давления, которые во многих случаях превышают величину предела текучести обрабатываемого металла. От химического состава металла зависят силы адгезии, возникающие между металлом и рабочим инструментом в точках контакта, состав и свойства окалины на его поверхности, механические свойства самого металла и контактные давления при деформации.

Между трущимися поверхностями находятся разделительные среды. В зависимости от толщины разделительного слоя смазки различают три основных вида трения: сухое (трение несмазанных поверхностей), граничное (при наличии на контактируемых поверхностях тончайшей пленки смазки порядка сотен доли микрона), жидкостное или как его еще называют гидродинамическое наблюдается при наличии разделительного слоя смазки большой толщины, когда неровности контактирующих поверхностей не входят в непосредственное сцепление. Жидкостное трение – это внутреннее трение в слое смазки. Сухое и граничное трение – внешнее и обусловлено многими процессами, протекающими на разных физических уровнях: механическом (механическое зацепление), молекулярном и атомарном (адгезионное взаимодействие). Принято выделять также смешанные виды трения: полусухое (при сочетании граничного трения с сухим) и полужидкое (сочетание жидкого с сухим или граничным).

При горячей обработке металла давлением основным видом трения является полусухое трение (роль разделительной среды выполняют окисные пленки, вода, пар и различные загрязнения, попадающие в зону деформации). При холодной обработке давлением, обычно разделительной средой служит смазка, специально вводимая в область контакта трущихся тел, для уменьшения трения и износа. Чаще всего наблюдается полужидкостное трение. Толщина разделительного слоя смазки в очаге деформации обычно находится в пределах от 0,1 до 2-3 мкм. В некоторых процессах волочения реализуется жидкостное трение. В этих случаях толщина слоя смазки составляет 5-20 мкм и более.

Волочение − обработка металла давлением, который состоит в протягивании заготовки через отверстие меньшего сечения. В результате волочения исходные размеры уменьшаются, а длина получаемого изделия увеличивается. Волочение используется в производстве прутков, проволоки, труб и т. п. Основными частями стана, с помощью которого волочется металл являются волоки, а также принимающие и подающие устройства. Главная часть волоки, т.е. само отверстие, называется волочильным глазком, или ещё называют матрицей, и является рабочим отверстием постепенно уменьшающегося сечения, через которое протягивается катанка. Если в волоке одно отверстие, то её называют фильерой, а если несколько, то волочильной доской. В некоторых случаях используют специальную роликовую фильеру, где вместо обычного глазка расположены подвижные ролики.

Волочением получают проволоку широкого ассортимента: диаметром от 16 до ≤ 0,01мм. К преимуществам волочения относятся высокая точность размеров поперечного сечения и высокая чистота поверхности получаемых изделий. Волочильные станы для изготовления проволоки могут быть самой разной конструкции – с горизонтальными и вертикальными барабанами со скольжением относительно барабанов и без. Количество волок на таких станах может быть больше 25. Скорость волочения т.е. скорость движения металла после выхода его из волоки, колеблется в очень широких пределах и может достигать до 50 м/с. Для грубого волочения используют стальные, для среднего волочения – твердосплавные, для тонкого и тончайшего – алмазные волоки. Чем меньше диаметр изготовляемой проволоки, тем более твердым и мелкозернистым должен быть материал фильеры. Единичные обжатия по переходам волочения снижаются при грубом волочении до 30-35%, при тончайшем до 6-12%. Иногда волочение одного диаметра происходит в два захода. Если необходима тонкая проволока, то сначала катанку протягивают через стан грубого волочения, а затем готовое изделие уже меньшего диаметра прогоняют через волоки с гораздо меньшим диаметром. Но есть волочильные линии, которые справляются с этой задачей сразу, но они потребляют гораздо больше энергии.

Для снижения трения при протягивании заготовки через волоку применяют специальные смазки и различные покрытия, которые оберегают поверхность металла от задира волочильным инструментом. Используют такие смазочные материалы как: порошковые смеси, пластичные смазки, минеральные масла без присадок и с присадками, растворы мыл, масляные эмульсии. Смазки при волочении должны обеспечивать высокую износостойкость инструмента и требуемое качество поверхности продукции, а при высоких скоростях волочения − эффективное охлаждение инструмента.

В очаг деформации смазка поступает в основном за счет гидродинамического эффекта, возникающего во входном конусе волоки. Поверхность волоки препятствует поступлению смазки, оттесняя ее с поверхности заготовки. При мокром волочении проволока погружается в раствор  смазочно- охлаждающей жидкости (СОЖ) и этот процесс называется мокрым волочением.

В связи с широким использованием медной проволоки в электротехнической и электронной промышленности большое значение имеет волочение медной проволоки. Процесс волочения медной проволоки это изменение геометрической формы и размеров заготовки, а также изменение механических свойств и внутренней кристаллической структуры меди.

При мокром волочении медной проволоки наиболее широко используемым смазывающим материалом являются водоэмульсионные СОЖ-эмульсии типа масло/вода, которые обладают наиболее оптимальным соотношением смазывающей и охлаждающей способности. Смазочно-охлаждающие жидкости для волочения медной проволоки − это многокомпонентные коллоидные продукты, которые служат для охлаждения волок и проволоки, уменьшают износ и налипание металла на волоки, предотвращают задиры на проволоке, а также служат для удаления шлама из зоны деформации. СОЖ должны обладать хорошей адгезией к поверхности металла, не выдавливаться из очага деформации при волочении, не разлагаться при температурах до которой разогревается проволока за счет деформациионного тепла, не реагировать с поверхностью фильеры.

Волочение медной проволоки имеет смешанный режим трения (граничный и гидродинамический), поэтому для снижения коэффициента трения СОЖ должны обеспечивать образование хемосорбционнной антифрикционной пленки на участках граничного трения, а также иметь приемлемые реологические характеристики в объеме смазки и на участках жидкостного трения. СОЖ, которые используются при волочении медной проволоки, должны обладать высокими антикоррозионными свойствами по отношению к меди, обеспечивать быстрое оседание шлама в эмульсии.    

Для улучшения  смазочных свойств в составе СОЖ используют природные жиры и растительные масла (часто модифицированные в процессе сульфирования, сульфатирования, оксиэтилирования, переэтерификации и т.п.), синтетические жирозаменители, жирные кислоты, мыла, эфиры и амиды жирных и синтетических кислот, производные фосфорных кислот и др, которые реагируют с медью при относительно низких температурах с образованием разделяющего слоя, снижающего износ волоки. С увеличением диаметра изготавливаемой проволоки увеличивается содержание антифрикционных присадок.

Эмульсии для волочения медной проволоки в зависимости от типа проволоки отличаются дисперсностью: от грубодисперсных (диаметр капель до 5мкм) до тонкодисперсных (диаметр капель 1мкм и меньше). Для грубого волочения медной проволоки используется однородная грубодисперсная эмульсия, образующая на поверхности проволоки толстую смазочную пленку. Для сверхтонкого волочения используются синтетические СОЖ, которые не содержат минеральных и растительных масел, а при растворении в воде образуют истинные растворы. Их рабочая концентрация составляет 0,5-1,5%. В состав водоэмульсионных СОЖ входят поверхностно-активные вещества, которые обеспечивают их концентратам легкость эмульгирования в воде и высокую агрегативную стабильность эмульсий в процессе эксплуатации при воздействии повышенных до 40-50 ºС температур и  накоплении ионов металлов Сu +2, Са +2, Мg+2 и др.

Стабильность эмульсий существенно зависит от выбора воды для ее приготовления и для корректировки концентрации в процессе эксплуатации. Для приготовления эмульсии можно использовать питьевую, деминерализованную воду или конденсат, а для корректировки концентрации в процессе эксплуатации рекомендуется только деминерализованная вода или конденсат для уменьшения содержания ионов металла. Повышение содержания солей жесткости ухудшает стабильность эмульсии, что приводит к увеличению шлама, сокращает срок службы эмульсии и ухудшает качество получаемой проволоки.

Одним из критериев оценки качества эмульсии, в зависимости от концентрации солей металлов в процессе эксплуатации, является определение показателя «удельная электропроводность». Электропроводность эмульсии увеличивается при накоплении в ней солей (соли жесткости, соли меди, соли карбоновых кислот и т.п.). Опыт эксплуатации эмульсии при волочении медной проволоки показал, что существует предельная величина удельной электропроводности (2000-10000) ом-1, выше которой ухудшается качество эмульсии. При критических значениях электропроводности эмульсию сливают и заменяют ее новой эмульсией. В процессе эксплуатации эмульсии при волочении медной проволоки образуются растворимые и нерастворимые мыла меди. Нерастворимые мыла меди являются опасным загрязнителем для оборудования, их накопление может вывести его из рабочего состояния. Необходимо проводить эффективную фильтрацию рабочей эмульсии. Для продления срока службы рабочей эмульсии следует регулярно контролировать ее качество (концентрацию, рН, микробиологическое поражение и т.д.) и вовремя проводить корректировку.

В зависимости от параметров технологического процесса волочения, для получения определенного типа проволоки выбираются оптимальные рабочие концентрации СОЖ. В табл.1 приводятся рекомендуемые концентрации СОЖ в зависимости от  изготовляемого типоразмера медной проволоки.

Таблица 1. Концентрация рабочих эмульсий  для волочения медной проволоки.

Типоразмер проволоки Концентрация СОЖ, %
Грубая (диаметр от 8 до 1 мм) 12-18
Средняя (диаметр от 3,5 до 0,6 мм) 5-10
Тонкая (диаметр от 1,4 до 0,15 мм) 3-7
Сверхтонкая диаметр от 0,15 до 0,02 мм) 2-5

На рынке смазочно-охлаждающих технологических средств существует определенный ассортимент СОЖ для мокрого волочения медной проволоки (табл. 2).

Таблица 2. СОЖ для волочения медной проволоки производства  некоторых зарубежных фирм  и отечественных предприятий.

Фирма-производитель Название СОЖ Тип волочения, (рабочие концентрации СОЖ) Основные компоненты СОЖ
Carl Beckem GmbH
(Германия)
UNOPOL 570 Грубое (10-16)%, среднее (5-8)%, тонкое (2-5)% На основе сульфатированных природных и синтетических жиров.
Carl Beckem GmbH
(Германия)
UNOPOL F811 Тонкое и тончайшее (1-3)% На основе модифициро-ванных растительных масел и неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ).
PETROFER (Германия) DRAWLUB C 100KN Грубое (8-16)%, среднее (5-11)%, тонкое (4-6)% На основе  минерального масла, эмульгаторов и смазывающих добавок.
PETROFER (Германия) DRAWLUB C 301KN Среднее и тонкое (4-12)% На основе минерального масла, эмульгаторов и смазывающих добавок.
ZELLER+GMELSN GmbH S Co RC (Германия) MULTIDRAW CU UNI Грубое (10-17)%, среднее (4-8)%, тонкое (2-4)% На основе минерального масла, эмульгаторов и смазывающих добавок.
FUCS OIL (Германия) RENOFORM MCU 20 Грубое и среднее (4-16%) Содержит полярные активные компоненты и небольшое количество минерального масла.
Институт углеводородов (Венгрия)  
EMADO-CO-2201 Грубое и среднее (5-15%) Содержит минеральное масло, эмульгаторы и присадки функционального назначения.
HOUGHTON (США) HOUGHTO DRAW WD MM 40 Среднее и тонкое на многопроволочных машинах Содержит минеральное масло, эмульгаторы и присадки смазывающие, биоцидные, антиокислительные и др.).
ООО АЗМОЛ (Украина) ЭФЕРИН Грубое (8-10)%, среднее (5-8)%, тонкое (2-3)% На основе скложных эфиров смеси растительных масел, природных жиров и синтетических жирных кислот.
ООО ЗТМ АРИАН (Украина) АРИНОЛ Среднее (5-8)% На основе модифицированных растительных масел и минерального масла.

От правильного выбора СОЖ зависит стабильность процесса волочения, качество проволоки и срок службы волок. В зависимости  от обрабатываемого металла, параметров процесса обработки, выбирают технологические средства, которые бы обеспечивали требуемое соотношение между смазывающими и охлаждающими свойствами, т.е. успешное проведение технологического процесса производства изделий.

Авторы статьи:
В.Т. Процишин,  ГП УкрНИИНП «МАСМА» г. Киев
В.Я Кулик, Н.Н Олийник, Э.Г.Рудык, ООО ЗТМ «Ариан», г. Киев