CC BY
91
( ~~ ^
The results of investigations showed that using of additional application of copper by means of wire cooling after diffused application of brass covering yielded positive results.
v_j
Ю. Л. БОБАРНКИН, М. Н. ВЕРЕЩАГИН, С. И. ПРАЧ,
УО «Гомельский государственный технический университет им. П. О. Сухого», Е. В. ШАМАНОВСКАЯ, А. В. ВЕНГУРА, А. В. ВЕДЕНЕЕВ, О. Ю. ВИНОКУРОВА, ОАО «БМЗ» - управляющая компания холдинга «БМК»
УДК 621.778
исследование использования дополнительного меднения латунного покрытия в линии латунирования стальной проволоки
Исследования процесса волочения стальной латунированной проволоки [1, 2], используемой для свивки металлокорда, показали, что для увеличения качества получаемой проволоки путем повышения ее пластических свойств необходимо принять меры по снижению коэффициента контактного трения при волочении. Уменьшение контактного трения снижает контактный нагрев проволоки в целом, что уменьшает степень динамического старения и, как следствие, величину падения пластичности высокоуглеродистой стали. Для этой цели проанализирована контактная зона волоки с проволокой.
При волочении с поверхностью волоки контактирует тонкий слой латунного покрытия на стальной проволоке. Поэтому на величину контактного трения влияют свойства используемой латуни, жидкой смазки и поверхности деформирующей зоны волоки, а также другие условия волочения. Особое внимание было обращено на латунное покрытие, которое при волочении получает значительную пластическую деформацию, находясь на поверхности стальной проволоки. Это покрытие, кроме основного назначения - повышения адгезии латунированной стальной проволоки к резине и повышения антикоррозийных свойств, играет роль металлической твердой смазки при волочении этой проволоки. Свойства латуни значительно влияют на контактное трение при волочении стальной латунированной проволоки. Для снижения контактного трения латунное покрытие должно иметь повышенную пластичность. Латунное покрытие, толщина которого 1,5-3,5 мкм, должно быть не только пластичным, но и плотным, долж-
но иметь хорошее сцепление со стальной основой. Несоблюдение этих требований приводит к таким отрицательным явлениям, как повышенный съем латунного покрытия и снижение адгезионных свойств металлокорда, свитого из этой проволоки, к резине.
Электрохимическое нанесение покрытия на БМЗ производится в три этапа: I этап - электролитическое нанесение меди в пирофосфатном электролите меднения; II этап - электролитическое нанесение меди в сернокислом электролите меднения; III этап - электролитическое нанесение цинка в сернокислом электролите цинкования. Далее проводится диффузионный нагрев с целью образования латунного покрытия. Затем следует операция травления латунированной проволоки в водном растворе ортофосфорной кислоты для удаления оксидов, образовавшихся на поверхности.
При производстве латунированной заготовки на имеющихся агрегатах гальваническое покрытие Си-2п после диффузионного нагрева не обеспечивает стабильного получения однородной структуры латунного покрытия в виде а-фазового состава. Присутствие в латуни р-фазы с малопластичной объемно-центрированной кубической решеткой снижает пластические свойства латуни. Согласно диаграмме состояния Си-2п, при содержании меди менее 61% в структуре покрытия формируется р-фаза. Наиболее обеднены медью поверхностные участки латуни, которые наиболее интенсивно участвуют в процессе контактного трения при волочении. При существующей технологии разница по содержанию меди при послойном съеме латун-
Толщина. % 61,9
•
•
"
• IV
• V
• VI
• VI
• VII
• X
59 59,5 60 60,5 61 61,5 62 62,5 63 63,5 64 64,5 65 65,5 66 Содержание меди в отложении, %
Рис. 1. Распределение меди по толщине покрытия в исходном варианте
ного покрытии составляет от 6 до 12%. Для устранения в латуни р-фазы необходимо выровнять химический состав латунного покрытия по его сечению. Для этого следует повысить концентрацию меди в поверхностных слоях латуни.
Цель исследований - выровнять химический состав латунного покрытия и устранить присутствие в латуни р-фазы, что повысит пластичность латуни и снизит коэффициент контактного трения при последующем волочении стальной латунированной проволоки.
Для достижения этого эффекта известно решение, заключающееся во введении СuSО4•5Н2О в водный раствор ортофосфорной кислоты для дополнительного насыщения поверхности латуни медью [3]. Однако такой подход не позволяет получить равномерный слой меди на поверхности проволоки. Возможно, это связано с одновременным действием двух противоположных по сути процессов: растворении тонкого поверхностного слоя в травильном растворе и осаждении дополнительного тонкого слоя меди.
Для достижения поставленной цели исследований предложено разделить процессы дополнительного нанесения меди на поверхность латуни и травления. Достичь этого предложено за счет применения дополнительного охлаждения проволоки в водном растворе сульфата меди, осуществляемого после диффузионного нагрева, но перед травлением в водном растворе ортофосфорной кислоты. Высокая температура проволоки после диффузионного нагрева обеспечивает высокую скорость осаждения меди из указанного раствора и моментальную ее дополнительную диффузию в латунь через микропоры в поверхностном слое оксидов латуни. Резкое охлаждение проволоки после диффузионного нагрева способствует интенсивному образованию микропор.
глгтт:Г: г: кт г /лтгг: г? / со
-а (68), 2012/ и и
Эксперимент проводили на агрегате латунирования на заготовке диаметром 1,98 мм.
В качестве исходного варианта использовали латунированную заготовку, изготовленную по серийной технологии. При серийной технологии охлаждение проволоки после термодиффузии осуществляли технологической водой без каких-либо добавок. Для сравнения были изготовлены два экспериментальных варианта заготовки. Экспериментальные варианты отличались тем, что после диффузионного нагрева проволока охлаждалась воде с концентрацией СuSО4 3 г/л для первого экспериментального варианта и 10 г/л для второго экспериментального варианта.
Заготовка, полученная по исходному варианту и двум опытным вариантам, была исследована на качество латунного покрытия при послойном съеме латуни. Распределение меди в латуни по толщине покрытия определяли в соответствии с оригинальной методикой фирмы «Пирелли», внедренной на БМЗ.
Оценку качества латунного покрытия производили по следующим критериям:
• разница по процентному содержанию меди между первым и десятым слоем не должна превышать 10%;
• количество точек, находящихся слева и справа от линии, показывающей среднее содержание меди, должно быть одинаковым (по пять соответственно);
• угол наклона линии, проведенной по десяти точкам, не должен превышать 45°;
• при послойном съеме латунного покрытия должно быть не более двух слоев с содержанием меди менее 60%.
Полученные результаты по содержанию меди в латуни для исходного варианта приведены на рис. 1.
Из рисунка видно, что в исходном варианте между первым и десятым слоем разница по содержанию меди составляет 4,8%, что является приемлемым результатом. Количество точек слева и справа от линии, показывающей среднее содержание меди, одинаково - по пять точек слева и справа, угол наклона кривой «35-40°, что соответствует требованиям. При послойном анализе получен один слой с содержанием меди менее 60%, что указывает на возможность присутствия р-фазы.
Результаты распределения меди по толщине латунного покрытия, полученные по первому экспериментальному варианту, приведены на рис. 2.
Из рисунка видно, что между первым и десятым слоем разница по содержанию меди составляет 4,7%, что соответствует требованиям. Количе-
54
шиИ г: гл^ггтллтгггггт
4 (68), 2012-
1
• II
1 IV
• VI
• VII
• V II
• IX
59 59,5 60 60.5 61 61,5 62 62.5 63 63,5 64 64,5 65 65,5 66 Содержание меди в отложении, %
Рис. 2. Распределение меди по толщине покрытия в первом экспериментальном варианте
ство точек слева и справа от линии, показывающей среднее содержание меди, - 6/4, угол наклона кривой « 30°, что соответствует требованиям. При послойном анализе все слои получены с содержанием меди более 60%, что гарантирует вероятность отсутствия р-фазы. Видно, что среднее содержание меди в латунном покрытии увеличилось для исходного варианта от 61,9 до 62,8%.
Результаты распределения меди по толщине латунного покрытия, полученные по второму экспериментальному варианту, приведены на рис. 3.
Из рисунка видно, полученные результаты отличаются от предыдущих. Разброс меди здесь составляет всего 2%, что не достигается даже на новейших агрегатах латунирования. При послойном анализе содержание меди во всех слоях более 60%, что гарантирует отсутствие р-фазы. Также видно,
Рис. 3. Распределение меди по толщине покрытия во втором экспериментальном варианте
что среднее содержание меди в латунном покрытии увеличилось для исходного варианта от 61,9 до 62,2%.
Механические характеристики латунированной заготовки по вариантам приведены в табл. 1.
Как видно из таблицы, механические характеристики латунированной заготовки по вариантам практически не отличаются, для экспериментальных вариантов наблюдается небольшая тенденция увеличения удлинения и снижения модуля упругости. Из имеющегося на БМЗ опыта более низкие значения модуля упругости латунированной заготовки обеспечивают низкую обрывность при ее дальнейшей обработке.
В табл. 2 приведены данные по съему латунного покрытия при производстве сверхвысокопрочной проволоки диаметром 0,30 мм из заготовки диаметром 1,98 мм.
Таблица 1. Результаты механических испытаний латунированной заготовки по исходному
и экспериментальным вариантам
Значение Диаметр заготовки, мм ств, МПа ст0,2, МПа Полное удлинение Д Модуль упругости Е, МПа
Исходный вариант
Среднее 1,96 1281 871 0,680 9,15 165,40
СКО* 0,00 1 6 0,00 0,15 7,77
Минимум 1,96 1280 863 0,674 9,02 154,00
Максимум 1,96 1283 878 0,685 9,40 175,00
Вариант с охлаждением в воде (3 г/л С^О4-5И20)
Среднее 1,96 1285 880 0,685 9,26 166,40
СКО 0,00 1 9 0,01 0,30 22,19
Минимум 1,96 1284 868 0,675 8,77 146,00
Максимум 1,96 1287 890 0,693 9,60 192,00
Вариант с охлаждением в воде (10 г/л CuSO4■ 5И^)
Среднее 1,96 1282 876 0,684 9,35 148,80
СКО 0,00 1 15 0,01 0,26 18,29
Минимум 1,96 1280 862 0,672 9,10 124,00
Максимум 1,96 1283 899 0,701 9,69 174,00
* СКО - среднеквадратическое отклонение; ств, ст02 - соответственно предел прочности и текучести образца, МПа; ст0 2/ств -соотношение диапазонов упругого и пластического состояния.
Таблица 3. Результаты механических испытаний тонкой проволоки, полученной волочением латунированной заготовки, произведенной по исходному и экспериментальным вариантам
г: п^штптп / ее
-а (68). 2012/ и и
Таблица 2. Результаты оценки съема латунного покрытия
Вариант Диаметр проволоки, мм Масса латунного покрытия, г/кг Содержание меди в покрытии, % Съем латунного. покрытия, %
Исходный 1,98 4,51 62,5 12,9
0,30 3,93 63,6
С охлаждением в воде 3 г/л 1,98 4,62 62,3 14,3
0,30 3,96 62,6
С охлаждением в воде 10 г/л 1,98 4,47 62,9 11,6
0,30 3,95 62,9
Значение Диаметр образца, мм Разрывное усилие р, Н МПа МПа а0,2/ов. МПа Удлинен. при макс. нагрузке,% Полное удлинение, % Модуль упругости е МПа Реверсивные скручивания Скручивания первой проволоки Скручивания двух проволок
Исходный вариант
N 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
Среднее 0,300 239,6 3177 3388 0,938 2,41 2,43 190,57 46 72 126
СКО 0,000 0,8 13 10 0,00 0,09 0,11 3,87 27 2 18
Минимум 0,300 238,0 3159 3373 0,933 2,22 2,22 185,00 6 69 93
Максимум 0,300 240,0 3194 3396 0,941 3 2,55 196,00 70 75 140
Вариант с охлаждением в воде (3 г/л С^О4-5И20)
N 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
Среднее 0,300 240 3193 3402 0,939 2,40 2,42 191,29 68 74 133
СКО 0,000 1 6 6 0,001 0,06 0,07 2,14 8 5 7
Минимум 0,300 240 3183 3398 0,936 2,31 2,31 188,00 54 65 126
Максимум 0,300 241 3201 3413 0,940 3 2,53 194,00 75 82 144
Вариант с охлаждением в воде (10 г/л CuSO4■ 5И^)
N 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
Среднее 0,300 240 3187 3395 0,939 2,40 2,40 190,43 72 73 133
СКО 0,000 1 14 6 0,003 0,05 0,06 3,78 7 3 8
Минимум 0,300 239 3167 3384 0,934 2,31 2,31 185,00 60 69 123
Максимум 0,300 241 3203 3404 0,944 2 2,48 195,00 80 77 145
П р и м е ч а н и е. Обозначения те же, что и в табл. 1.
Как видно из таблицы, прирост меди после волочения в исходном варианте составил +1,1%, в варианте с содержанием в охлаждающей воде 3 г/л СuSО4•5Н2О - +0,3%. Прирост меди отсутствует при волочении проволоки, полученной по второму экспериментальному варианту. Таким образом, по результатам испытаний наиболее эффективен второй экспериментальный вариант.
Механические характеристики тонкой проволоки по вариантам, которая была получена на скорости 8 м/с по существующей технологии, приведены в табл. 3.
Как следует из таблицы, механические характеристики тонкой проволоки диаметром 0,30 мм сопоставимы кроме количества реверсивных скручиваний и скручиваний двух проволок. На исходном варианте при испытании на реверсивные скручивания отмечены два выпада по расслоению. Увеличение количества реверсивных скручиваний и скручиваний двух проволок для вариантов с содержанием 3 и 10 г/л СuSО4•5Н2О в охлаждающей воде может свидетельствовать о повышении пла-
стических свойств латунированной стальной проволоки, которое достигнуто за счет снижения контактного трения при волочении.
Из полученной проволоки диаметром 0,30 мм был свит металлокорд 2х0,30 SHT. Прочность ме-таллокорда приведена в табл. 4.
Из таблицы видно, что разрывное усилие при разрыве металлокорда сопоставимо для всех вариантов.
Таблица 4. Прочность металлокорда 2х0,30 SHT
Вариант Исходный 1 2
Разрывное усилие корда, Н 464 462 465
464 464 464
463 462 464
Среднее 464 463 464
Результаты оценки адгезии металлокорда 2х0,30 SHT приведены в табл. 5.
Из таблицы следует, что улучшение качества латунного покрытия отразилось и на адгезии металлокорда к резине: величина адгезии выросла
ес /лгттсг= _
ии/ а (68), 2012-
Таблица 5. Результаты оценки адгезии металлокорда 2х0,30 SHT
Значение Испытания по адгезии металлокорда 2х0,30 8НТ. Метод РМ 60007 ММ 001 !КЪ, блок 7,5 мм, компаунд 21969
адгезия, Н адгезия после солевого старения (6 ч), Н
Исходный 1 2 Исходный 1 2
345 378 412 354 377 326
338 399 368 270 379 373
360 371 370 360 410 400
336 380 357 352 345 279
361 357 365 287 261 260
344 382 408 359 380 371
333 408 401 350 286 263
381 384 393 231 285 310
344 381 399 335 357 347
332 371 373 353 352 365
Среднее 347 381 385 325 343 329
Минимум 332 357 357 231 261 260
Максимум 381 408 412 360 410 400
Сплошное покрытие, % 82 86 87 66 66 69
90-70 80-90 80-90 80-50 80-50 80-50
в среднем на 10%, а после солевого старения значение адгезии максимально для варианта с содержанием 3 г/л СuSО4•5Н2О.
Сопоставление результатов исследований показывает, что при производстве латунированной заготовки оптимальная концентрация сульфата меди в охлаждающей воде после термодиффузии составляет 3-8 г/л.
Выводы
Обобщенные результаты исследований показали, что применение дополнительного нанесения меди посредством охлаждения проволоки после диффузионного нанесения латунного покрытия в ванне с водным раствором 3-10 г/л СuSО4•5Н2О приводит к следующим положительным эффектам:
• повышается равномерность распределения меди по толщине латунного покрытия;
• повышается в допустимых пределах концентрация меди на поверхности латунного покрытия, что гарантирует отсутствие Р-фазы латуни на поверхности латунированной заготовки, контактирующей с рабочей зоной волоки про волочении. Это повышает пластические свойства латуни и умень-
шает коэффициент контактного трения при волочении, снижает температуру волочения, что создает возможность для роста пластических свойств проволоки;
• улучшаются пластические свойства стальной латунированной проволоки после волочения проволочной заготовки, полученной с дополнительным меднением: увеличивается количество реверсивных скручиваний на 50% и скручиваний двух проволок на 2% для проволоки диаметром 0,3 мм;
• повышаются адгезионные свойства металлокорда к резине в среднем на 10%;
• остальные свойства проволоки существенно не изменяются;
• увеличиваются коэффициенты качества процесса по покрытию;
• снижается съем латунного покрытия при последующем волочении латунированной стальной проволоки.
Дополнительно должны появиться следующие сопутствующие эффекты: снижение усилия волочения на волочильных станах, повышение стойкости волочильного инструмента, отсутствие прироста меди при съеме латунного покрытия при волочении.
Литература
1. В е р е щ а г и н М. Н., Б о б а р и к и н Ю. Л., С а в е н о к А. Н. и др. Влияние скорости волочения на температуру и напряженно-деформированное состояние в проволоке из высокоуглеродистой стали // Сталь. 2007. № 12. С. 53-58.
2. В е р е щ а г и н М. Н., Б о б а р и к и н Ю. Л., Ц е л у е в М. Ю. и др. Численное моделирование и исследование влияния контактного трения на распределение температурных полей и напряженно-деформированное в стальной проволоке при высокоскоростном волочении // Литье и металлургия. 2009. № 4. С. 126-129.
3. Способ латунирования проволоки: пат. 2048603 РФ, МКПС23С10/02/ Ю. Г. Алексеев, А. И. Березуев, В. А. Пикулин и др.; Орловский сталепрокатный завод. № 5062947/02; заявл. 24.09.1992; опубл. 20.11.1995.
