Применение методов термодеформационной обработки для производства металлопродукции непосредственно из сортной сыпучей стружки меди и ее сплавов

В условиях рыночной экономики для многих отраслей промышленности основной проблемой, и одновременно задачей, продолжает оставаться создание конкурентоспособной металлопродукции. При этом заметная роль в обеспечении высокого уровня физикомеханических свойств и приемлемой себестоимости металлоизделий отводится технологиям их производства. Современные тенденции их развития связаны с экономией материальных ресурсов путем наиболее полного и комплексного использования существующих источников сырья, изысканием новых, нетрадиционных его видов и организацией на их базе малоотходных производств [1].

Одним из потенциальных объектов, который многие годы приковывает внимание работников металлообрабатывающих предприятий, остаются образующиеся в том или ином виде отходы производства, основным способом переработки которых всегда считался плавильный передел. Однако стоит отметить, что плавильный передел и связанные с ним заготовительно-транспортные операции, являясь эффективным средством переработки крупногабаритного лома и отходов, на существующем уровне развития процессов сбора, хранения, транспортирования отходов и собственно металлургических процессов не обеспечивают, по нашему мнению, необходимой эффективности переработки стружковых отходов, особенно мелких сыпучих фракций.

Низкая эффективность традиционной технологии при переработке стружковых отходов обусловлена следующими факторами [2]:

  • • повышенным угаром металла, который в 2-3 раза превышает угар тех же металлов при переплаве кускового лома;
  • • снижением на 10-15% производительности металлургических агрегатов при использовании в шихте стружковых отходов вместо кускового лома;
  • • потерями металла за счет коррозии стружки, которые примерно на порядок превышают потери от коррозии кускового лома;
  • • экологическим несовершенством плавильного передела, а также особо вредными и тяжелыми условиями труда при осуществлении этого передела;
  • • отсутствием технологии и оборудования для предварительной подготовки и переплава ряда видов стружковых отходов (например, окисленной или загрязненной смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ) стружки).

Недостатки традиционной технологии могут быть сведены к минимуму при переработке стружковых отходов методами, основанными на использовании приемов порошковой металлургии. В этом случае технологический цикл «стружка-прессовка-полуфабрикат- изделие» значительно короче традиционного металлургического цикла, менее энергозатратен, легко автоматизируется и при необходимости органично встраивается в современное производство. Разрабатываемые при этом схемы переработки стружковых отходов полностью исключают угар металла, неизбежный при плавильном переделе, и связанные с этим переделом газопылевые выбросы, являющиеся одним из основных источников загрязнения окружающей среды.

Важнейшими факторами, определяющими промышленную конкурентоспособность указанного направления, являются еще более жесткое, чем перед переплавом, обеспечение селективного (марочного) сбора стружковых отходов, четкая организация работ по удалению их из зоны резания, а также соблюдение определенных условий хранения их перед переработкой. Выполнение перечисленных требований во многих случаях исключает необходимость проведения таких операций, как сепарация твердых и жидких, магнитных и немагнитных компонентов; обезжиривание и предварительная тепловая обработка стружковых отходов. Хотя, естественно, в итоге все зависит от состояния поступающей на переработку стружки и назначения получаемых из нее изделий.

Следует отметить, что примеры практической реализации рассматриваемой технологической схемы время от времени приводятся в периодических технических изданиях. Но, как правило, в них речь идет о переработке в полуфабрикаты и изделия стружки определенного химического состава, образующейся на конкретном металлургическом или машиностроительном предприятии. Задачи, на решение которых направлены такого рода публикации, связаны с изготовлением металлопродукции, являющейся альтернативой продукции, произведенной из литых металлов и сплавов. Критерием в данном случае служит соответствие уровня механических и эксплуатационных характеристик полученных изделий параметрам, оговоренным в действующих технических условиях.

Однако более перспективной, на наш взгляд, представляется разработка схем, связанных с созданием новых специфических функциональных композиционных или структурно-неоднородных материалов, изготовление которых базируется на консолидации различного рода дискретных сред с определенным сочетанием компонентов в твердой фазе. Основу таких материалов и должны составлять сортные сыпучие стружковые отходы, образующиеся при мехобработке металлических изделий на металлообрабатывающих станках и агрегатах.

Термин «сортные» характеризует стружковые отходы цветных металлов и сплавов по видам, засоренности и размерам, хотя и предполагает некоторую произвольность форм, размеров и свойств частиц. Обязательным в этом случае является выполнение критериев достоверности и определенности химического состава исходного сырья, а также степени чистоты поверхности частиц по загрязнениям особого рода, которые обычно не учитываются при соблюдении общих требований химического состава. Особенно это относится к материалам с сильно развитой удельной поверхностью (например металлическим опилкам).

Разработка материалов с ультрамелкой зеренной структурой связана с осуществлением технологий термической и деформационной обработки стружки, обеспечивающих формирование нанофрагментов в твердой матрице. Важная роль в образовании необходимой структуры и уровня свойств получаемых из стружки изделий отводится реализуемой технологической схеме, включающей этапы брикетирования, спекания, дополнительных горячей и холодной пластической деформации, а также термообработки. В совокупном виде они должны обеспечить как заданную организацию движения макропотоков металла, связанную с развитием значительных деформаций сдвига, так и интенсификацию процессов, характерных для протекания механически активируемой тепловой диффузии, а также диффузии, обусловленной генерацией и перемещением неравновесных дефектов. При этом уменьшение объемного содержания пор вызывается главным образом изменением относительного положения контактирующих микрообъемов материала, сопровождающимся интенсивными сдвиговыми деформациями как по контактирующим поверхностям деформируемых частиц, так и внутренним сдвигом в деформируемом материале.

При такой деформации создаются благоприятные условия для разрушения и диспергирования поверхностных окисных пленок, обнажения ювенильных поверхностей в зоне пор и на поверхностях отдельных частиц, а также образования на этих поверхностях узлов схватывания. Роль высокотемпературного нагрева, помимо снижения общего уровня прочностных характеристик частиц компактируемого материала, дополнительно сводится к растворению, разложению и перекристаллизации компонентов, а также развитию диффузионных процессов.

Можно предположить, что для получения изделий из композиционных стружковых материалов не существует единого универсального варианта осуществления технологического процесса (цепочки технологических операций), предполагающего к тому же использование однотипного оборудования и приемов, характерных, например, только для процессов порошковой металлургии. Для разработки и опробования такого рода технологий следует всякий раз использовать комплексный подход, подразумевающий всесторонний последовательный анализ потенциальных возможностей при решении конкретных задач каждой из включенных в схему операций, а также оценку экономически целесообразных путей практической их реализации [3].

На наш взгляд, технологический процесс получения продукции из композиционных стружковых материалов в общем случае должен включать стадии, отображенные на схеме (рис. 1.1). Каждая из представленных на схеме стадий характеризуется определенными средствами воздействия на те или иные признаки макро- и микростроения в деформируемом материале; поэтому свой законченный вид в каждом конкретном случае она приобретает только после соответствующей практической апробации. При этом включение в общую схему той или иной технологической операции носит вариативный характер, что обусловлено видом и спецификой обрабатываемого материала, размерами и конфигурацией получаемых изделий, уровнем достигаемых механических свойств и рядом других факторов.

На рис. 1.2 представлены несколько вариантов конкретной реализации укрупненной общей схемы, показанной на рис. 1.1, применительно к получению изделий в основном круглого поперечного сечения на базе переработки сыпучей стружки меди и некоторых ее сплавов, которые прошли экспериментальную проверку в лабораторных условиях кафедры «Обработка металлов давлением» Института цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета [4].

Общая технологическая схема получения продукции на основе переработки стружки цветных металлов и сплавов

Рис. 1.1. Общая технологическая схема получения продукции на основе переработки стружки цветных металлов и сплавов

Как следует из приведенных на рис. 1.2 схем, измельчение стружки каким-либо способом и получение таким образом из нее дисперсных порошков с заданными химическими и физикотехнологическими свойствами ни по одному из вариантов не предусмотрено. Это объясняется тем, что, как известно, при измельчении стружки в порошок окислы, присутствующие в ней в виде относительно легко удаляемых тонких пленок, переводятся в высокодисперсное состояние, равномерно распределяются по всему объему, в том числе закупориваются внутри частиц порошка, т. е. переводятся в кинетически трудновосстановимую форму. Процесс измельчения на всех видах современного промышленного размольного оборудования осуществляется при комнатной температуре на воздухе или в жидких средах, содержащих растворенный кислород воздуха. Поэтому продукт дополнительно окисляется, содержание кислорода в порошке на порядок и более превышает его содержание в стружке.

Кроме того, большинство металлов и сплавов, стружка которых требует измельчения, проявляют себя в процессе измельчения как пластичные. В результате частицы измельченного материала оказываются сильнонаклепанными, выход годных фракций составляет 40-70 %.

Технологические схемы получения изделий из стружковых материалов на основе меди, апробированные на кафедре ОМД ИЦМиМ СФУ

Рис. 1.2. Технологические схемы получения изделий из стружковых материалов на основе меди, апробированные на кафедре ОМД ИЦМиМ СФУ

Другой общей характерной чертой всех приведенных на рис. 1.2 схем является наличие в технологической цепочке операции «экструзия» (выдавливание), проводимой при определенных температурнодеформационных условиях с использованием типового или специализированного оборудования. Относительная плотность поступающих на экструзию прессовок должна быть не ниже 80-90 %.

Меньший уровень плотности считается нежелательным, ибо в противном случае увеличивается площадь активной поверхности окисления при нагреве прессовок перед экструзией и растет вероятность инфильтрации используемой при экструзии смазки внутрь изделия.

Сопровождающая экструзию интенсивная пластическая деформация частиц способствует образованию свободных от окислов контактных поверхностей, активизирует непосредственное взаимодействие между частицами, увеличивая тем самым число металлических связей. Благоприятная схема напряженного состояния обеспечивает материалу наиболее высокую деформируемость по сравнению с другими процессами ОМД, однако эта положительная черта процесса проявляется в условиях крайне неравномерного распределения скоростей и деформаций.

Наличие существенной разности сечений рабочей втулки контейнера и очка матрицы (выражающейся коэффициентом вытяжки при экструзии), сил контактного трения и других факторов приводит к тому, что движение частиц материала происходит не только в направлении его истечения, но и отчасти в поперечном направлении. Последнее обстоятельство способствует появлению местных (дополнительных) напряжений, различных по величине, направлению и знаку, в том числе и растягивающих. Этому содействует и перемещение частиц материала по траекториям различной длины со скоростью, меняющейся в процессе прохождения металла через различные участки рабочей зоны.

Частично компенсировать негативные моменты, связанные с реализацией процесса горячей экструзии, позволяют следующие приемы: использование на стадии компактирования стружки в заготовки комбинированных схем нагружения, например сжатия с кручением, а на стадии получения пресс-изделий заданного сечения - совмещенных процессов обработки давлением типа прокатки- прессования [5]. В первом случае за счет сообщения материалу дополнительных сдвиговых деформаций обеспечивается лучшая проработка структуры металла на стадии формирования стружки в прессовки под последующую горячую экструзию.

Во втором случае общая вытяжка, свойственная процессу горячей экструзии, как бы перераспределяется по стадиям прокатки в закрытом калибре, распрессовки вблизи зеркала матрицы и выдавливания через ее очко. Каждая из перечисленных стадий в отдельности характеризуется меньшей, чем при экструзии, степенью деформации, а следовательно, меньшей неравномерностью распределения деформаций.

Но при этом суммарная деформация, а также разнонаправленный характер течения металла при прохождении различных зон очага деформации в совокупности дают тот необходимый эффект, который и обеспечивает получение пресс-изделий с требуемой структурой и заданным на этом этапе уровнем механических характеристик.

Окончательные типоразмер и свойства, соответствующие техническим условиям или запросам потребителя, готовая продукция приобретает на заключительном этапе деформационной и термической обработки. Этот этап подразумевает выполнение типичных операций, свойственных получению изделий из литых металлов и сплавов. Причем режимы проведения этих операций претерпевают минимальную корректировку, обусловленную спецификой состава и свойств исходного стружкового сырья.

В работе объектом внимания были выбраны сортные сыпучие стружковые отходы меди и ее сплавов, образующиеся при различных видах механической обработки, а в основном - при резке металлоизделий на ленточной пиле.

Как известно [6], медь и сплавы на ее основе обладают рядом особых свойств, к которым в первую очередь относятся: природная пластичность, высокая электропроводность, уступающая только электропроводности серебра, столь же высокая теплопроводность, хорошее сопротивление коррозии во многих средах (у чистой меди и некоторых бронз, сплавов меди с никелем), хорошая обрабатываемость резанием (у медных сплавов со свинцом), высокая упругость, а также приятный цвет и большое количество оттенков у разных сплавов.

Продукция из меди и сплавов на ее основе находит широкое применение в промышленности (табл. 1.1), которую условно представляют две группы предприятий - заводы по обработке цветных металлов (заводы ОЦМ) и проволочно-кабельные предприятия. Первая группа предприятий выпускает преимущественно листы, ленты, трубы, прутки, профили и проволоку из меди и медных сплавов, а вторая группа специализируется на производстве проводников тока в основном из меди. Причем на производство кабеля, изолированных и голых проводов идет более половины всей произведенной меди.

Однако при этом следует учитывать, что медь и ее сплавы - это сравниетльно дорогие материалы и потери их при образовании отходов в машиностроительном и металлургическом производстве весьма значительны. В то же время медь и ее сплавы выгодно отличаются от других цветных и черных металлов возможностью полного вторичного использования (рециклинга) их ломов и технологических отходов производства, в том числе различного рода стружки.

Таблица 1.1

Основные свойства меди и её сплавов, определяющие области применения полуфабрикатов из них

Свойства меди и её сплавов

Основные области применения

электротехника и электроника

производство оборудования и общее

машиностроение

транспортное

машиностроение

строительство

производство

потребительских

товаров

Высокая

электропроводность

Проводники тока и детали электрооборудования

Детали

электрооборудования

Детали

электрооборудования

Проводники тока, внутренняя разводка в зданиях

Детали бытовых электроприборов

Высокая

теплопроводность

-

Т еплообменники, конденсаторы, бойлеры, испарители

Радиаторы

охлаждения

Отопление,

кондиционеры

Кухонная посуда, столовые приборы

Сопротивление

коррозии

-

Химическое

оборудование

-

Водопровод, канализация, дренаж, кровля

Посуда и столовые приборы

Механические

свойства

-

Подшипники и узлы трения, пружины, мембраны, крепёж

Подшипники и узлы трения

Подшипники и узлы трения

-

Эстетические

характеристики

-

-

Декоративные элементы отделки

Декоративные элементы фасадов

и витрин, кровля

Домашняя утварь, посуда, столовые приборы, осветительная арматура, сувенирные изделия

Таблица 1.2

Свойства и области применения прутков и проволоки из меди и ее сплавов

Вид

продукции

Свойства

электропроводность

теплопроводность

сопротивление

коррозии

прочность

обрабатываемость резанием

штампуемость

Проволока из меди

Проводники тока, кабели, обмоточные и установочные провода, провода связи

-

-

-

-

-

Проволока из латуни и бронзы

-

-

Сетки

бумагоделательных машин, очистные щетки, проволока и тормозные колодки

Пружины

Винты, клеммы

Пружины, заклепки,

застежки «молния», булавки, ювелирные изделия и бижутерия

Прутки из латуни

Детали реле, контакторы

Детали

нагревателей

воды

Г азовые, водопроводные, пневматические и судовые фитинги

Валы и оси

Винты, шпиндели, муфты, сопла, инжекторы, кабельные уплотнения

Заклепки, шестерни

Причем их прямая переработка методами обработки давлением без переплава может обеспечить большую экономическую выгоду. Конечной продукцией, на которую в первую очередь должны быть ориентированы такого рода технологии, на наш взгляд, являются прутки и проволока, области применения которых приведены в табл. 1.2 [6].

Необходимый уровень свойств готовой продукции достигается использованием традиционных технологических процессов, включающих определенное сочетание деформирующих и термических операций.

Потребительские свойства ее определяются различными механическими характеристиками (твердость, прочность, пластичность, упругость), а также физическими (тепло- и электропроводность) и химическими (коррозионная стойкость) свойствами. Кроме того, к показателям качества продукции относят точность размеров получаемых изделий и состояние их поверхности.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >