СПОСОБ ВОЛОЧЕНИЯ ТРУБ
METHOD FOR DRAWING OF PIPES

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при волочении труб с субмикронной чистотой поверхности.
Для процессов обработки металлов давлением, в частности волочения труб, характерно адгезионное взаимодействие металла с инструментом. Это взаимодействие приводит к переносу деформированного металла с изделия на инструмент, последствиями которого являются разрушение поверхностного слоя металла (задиры, риски, поперечные микротрещины) и нарушение чистоты его поверхности (рост шероховатости). Что касается коррозионностойкой стали, то проблема усугубляется тем, что из-за наваривания металла на инструмент невозможно осуществить известными способами оправочное волочение труб.
Известно применение керамических материалов на основе тугоплавких соединений, например карбида вольфрама, карбида титана в качестве материала инструмента [Берин И.Ш., Днестровский Н.З. Волочильный инструмент. М.: Металлургия, 1971. С27-28].
Керамический материал (керамика) - это материал на основе тугоплавких соединений, т.е. соединений неметаллов III-VI групп периодической системы элементов друг с другом и(или) с любыми металлами. Такими соединениями являются бориды, карбиды, нитриды и оксиды металлов или сложные соединения на их основе. Термин керамика относится к объемным телам, пленкам, покрытиям. Частным случаем керамики являются композиционные материалы (керметы или твердые сплавы), состоящие из одной или нескольких керамических и металлических фаз. В качестве керамических фаз обычно используют бориды, карбиды, нитриды и оксиды металлов, а металлических - металлы, например Со, Ni, Mo и др. [С.82-85, Словарь-справочник по новой керамике / Шведков Е.Л., Ковенский И.И., Денисенко Э.Т., Зырин А.В.; Отв. ред. Трефилов В.И.; АН УССР. Ин-т пробл. Материалловедения им. И.Н.Францевича. - Киев: Наук. Думка, 1991. - 280 с.].
Что касается практического применения керамических материалов, то их использование основывается на высокой твердости, которая на практике считается эквивалентной «высокой прочности на износ и истирание». Как показывает практика, различные тугоплавкие соединения со сходными характеристиками твердости проявляют по отношению к одному и тому же металлу (и наоборот) различную активность с точки зрения адгезионного взаимодействия. Критериев, которые позволяли бы сделать выбор между различными материалами со сходными характеристиками твердости, в настоящее время нет.
Известен способ контроля адгезионной прочности клеевых соединений [А.С. СССР №1000863, G01N 19/04, опубл. 28.02.1983]. В этом способе перед склеиванием элементов измеряют величину работы выхода электронов со склеиваемых поверхностей. Работа выхода электронов зависит от качества поверхности. По величине работы выхода электронов судят о качестве подготовки поверхностей, что позволяет прогнозировать адгезионную прочность: большей величине работы выхода электронов соответствует большая адгезионная прочность клеевого соединения.
Известен способ определения адгезионной способности покрытия к неорганической подложке [А.С. СССР №1390542 A1, G01N 21/17, опубл. 23.04.1988]. В этом способе измеряют величину фотоэмиссионного тока подложки до нанесения покрытия и подложки с участками покрытия после его удаления. Наличие на поверхности подложки органических веществ с отличной от подложки работой выхода электронов приводит к изменению величины фотоэмиссионного тока. По относительному изменению тока фотоэмиссии определяют наличие органических веществ на поверхности подложки, что позволяет судить об адгезионной способности покрытия к подложке.
Известен способ волочения труб, включающий деформацию заготовки инструментом, выполненным из материала, препятствующего налипанию на него алюминия [Патент РФ №2296635 С1, опубл. 10.04.2007 - прототип].
Признаком, сходным с отличительным признаком заявляемого способа, является выполнение инструмента из материала, препятствующего налипанию на него металла, а именно - из сплава на основе никеля, содержание никеля в котором превышает 74 вес.%. Существенным признаком в заявляемом способе является выполнение инструмента из материала с определенными физическими свойства, а именно - из материала, работа выхода электронов которого не менее 4,0 эВ.
Известный способ имеет следующие недостатки. Применение инструмента, выполненного из сплава на основе никеля, ограничено волочением заготовок из алюминия.
a
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение качества поверхности труб путем исключения адгезионного разрушения поверхностного слоя металла и обеспечения шероховатости его поверхности по параметру R не более 1,0 мкм.
a
a
Выбор значения параметра R не более 1,0 мкм обоснован требованиями технических условий (ТУ 14-ЗР-760-2006, ТУ 14-159-295-2004, ТУ 14-161-216-2003), по которым шероховатость внутренней поверхности труб по параметру R должна быть не более 1,0 мкм.
Указанная задача решается тем, что в способе волочения стальных труб, включающем выбор материала инструмента и деформацию заготовки инструментом из керамического материала, согласно изобретению материал инструмента выбирают из условия величины работы выхода электронов материала не менее 4,0 эВ.
Сущность изобретения заключается в том, что деформацию металла производят инструментом, выполненным из керамического материала с определенными физическими свойствами, а именно - из материала, работа выхода электронов которого не менее 4,0 эВ.
Заявленное значение работы выхода электронов материала инструмента обеспечивает качественное изменение механизма адгезионного взаимодействия инструмента с металлом. Это изменение заключается в том, что разрушение адгезионных связей (мостиков сварки) между инструментом и металлом происходит не в поверхностном слое(объеме) металла, а по границе(поверхности) контакта инструмента с металлом и представляет собой не процесс когезионного разрушения металла, а разрыв адгезионной связи по границе инструмент-металл. В результате исключается разрушение поверхностного слоя металла, что обеспечивает качественное изменение шероховатости поверхности труб в заявляемом способе волочения по сравнению с известным.
a
Выбор значения работы выхода материала не менее 4,0 эВ обоснован тем, что это значение, как установлено экспериментально, обеспечивает исключение разрушения поверхностного слоя металла и достижение шероховатости его поверхности по параметру R не более 1,0 мкм.
Верхнее значение работы выхода электронов материала не оговаривается, так как ограничивать его нецелесообразно: чем больше работа выхода электронов материала, тем меньше интенсивность эмиссии электронов с его поверхности и меньше интенсивность адгезионного взаимодействия.
Суть адгезионного взаимодействия инструмента с металлом заключается в следующем. При сближении двух твердых тел на расстояние, соизмеримое с параметрами решетки, происходит объединение валентных электронов и образование общего электронного облака, взаимодействующего с атомами обеих поверхностей. Образование такой металлической связи представляет собой адгезионное взаимодействие (сцепление, прилипание) двух твердых тел [Сахацкий Г.П. Технология сварки металлов в холодном состоянии [Текст] / Г.П.Сахацкий. - Киев: Наукова Думка, 1979. - 296 с.].
В процессе трения материал инструмента подвержен энергетическому воздействию: механической и термической активации. Упругая деформация и нагрев материала повышают энергию его атомов. Слабосвязанные электроны в возбужденных атомах забрасываются на более высокие энергетические уровни, что ведет к повышению энергии решетки и, как следствие, к снижению работы выхода электрона. Те же самые процессы происходят в деформируемом металле. Влияние энергетического воздействия на материал сводится, по существу, к активации экзоэлектронной эмиссии с его поверхности и, тем самым, обеспечению интенсивного электронного обмена между поверхностями трения [А.С. СССР №938094, G01N 3/56, опубл. 23.06.1982, Дерягин П.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твердых тел. М.: Наука, 1973. С. 57-56].
Тугоплавкие соединения: карбиды, нитриды и оксиды металлов имеют разный тип связи, точнее разные соотношения металлического, ковалентного, ионного взаимодействия. Эти различия проявляются в разных значениях работы выхода электронов, которая определяет энергетический порог возбуждения материала. Чем выше этот порог, тем больше энергетические затраты для возбуждения материала и выхода электронов с его поверхности.
4
3
4
2
3
2
m
n
a
В таблице 1 приведены значения работы выхода электронов ряда керамических материалов на основе тугоплавких соединений: карбидов (WC, SiC, ZrC, BC), нитридов (TiN, AlN, SiN, BN), оксидов (AlO, ZrO) металлов и комбинированных соединений (TiCN, (TiCN)O). Эмиссионные свойства этих материалов исследовали с использованием метода фотостимулированной экзоэлектронной эмиссии. Образцы изготавливали в виде таблеток диаметром 10 мм и толщиной 1 мм. Поверхность образцов обработана алмазным кругом и подвергнута полированию алмазной пастой до шероховатости R=0,32 мкм. Исследования выполнены на автоматизированной сканирующем дефектоскопе [Кортов B.C. Экзоэмиссионная компьютерная топография: аппаратная реализация и возможности практического применения / В.С.Кортов [и др.] // Дефектоскопия. - 1996. - №1. - С.50-60].
4
3
4
m
n
2
Как видно из таблицы 1, заявляемому значению работы выхода электронов удовлетворяют материалы на основе следующих тугоплавких соединений: SiC, BC, ZrC, BN, SiN, TIN, AlN, TiCN, (TiCN)O, ZrO. Причем выбор материалов на основе оксидов и комбинированных соединений, как следует из таблицы 1, предпочтительнее по сравнению с карбидами и нитридами.
Пример. Проводилось изготовление труб из коррозионностойкой стали марки 08Х18Н10Т.
a
Трубы размером 12×1,2 мм изготавливались волочением на оправке. Волочение труб производилось по маршруту 16×1,5→12×1,2 мм с коэффициентом вытяжки, равным 1,68. В качестве технологической смазки использовался хлорированный парафин марки ХП-600. Поверхность оправки обработана алмазным кругом и подвергнута полированию алмазной пастой до шероховатости R=0,32 мкм.
При волочении по описываемому способу в качестве керамического материала оправки выбраны материалы на основе тугоплавких соединений:
- карбонитрида титана (Состав материала: 78% TiCN - Mo, Ni. Работа выхода электронов материала - 5,2 эВ (см. табл.1));
m
n
- оксикарбонитрида титана (Состав материала: не менее 70%(TiCN)O - Zr, Та, Nb. Работа выхода электронов материала - 5,5 эВ (см. табл.1));
2
2
3
2
3
- диоксида циркония (Состав материала: ZrO - 20% AlO - 4% YO. Работа выхода электронов материала - 5,8 эВ (см. табл.1)).
Для получения сравнительных данных производилось волочение труб известным способом. При волочении по известному способу в качестве керамического материала оправки использовался материал на основе карбида вольфрама. Состав материала: WC - 15% Со. Работа выхода электронов материала - 3,8 эВ (см. табл.1).
a
a
a
Адгезионное взаимодействие инстумента с металлом оценивали по состоянию внутренней поверхности труб до и после волочения. Оценка состояния поверхности производилась путем определения параметра шероховатости R по ГОСТ 2789-73. Измерения параметра R производили в соответствии с ГОСТ 2789-73 и осуществляли на профилометре модели 296 (тип II). По результатам измерений определяли минимальное и макисмальное значения, вычисляли выборочное среднее значение параметра R. Данные представлены в таблице 2 и иллюстрируются фигурой 1, 2.
a
Как видно из таблицы 2, по сравнению с известным предлагаемый способ волочения обеспечивает достижение шероховатости поверхности труб по параметру Rне более 1,0 мкм.
На фигуре 1 представлена зависимость шероховатости поверхности трубы от работы выхода электронов материала инструмента.
На фигуре 2 - шероховатость поверхности трубы и диаграмма работы выхода электронов керамических материалов.
a
a
a
2
На фигуре 1 видно, чем больше работа выхода φ, тем меньше среднее значение параметра шероховатости R. Эта зависимость описывается линейным уравнением при коэффициенте достоверности аппроксимации R=0,9987. Поле рассеивания параметра R, ограниченное на фигуре 1 тонкими линиями, также зависит от работы выхода: чем больше работа выхода, тем меньше поле рассеивания параметра шероховатости R. Эти результаты показывают, что адгезионное взаимодействие связано с работой выхода электронов: чем больше работа выхода электронов, тем меньше адгезионное взаимодействие инструмента с металлом.
a
Из фигуры 1 также следует: для достижения субмикронной чистоты поверхности труб с параметром шероховатости R не более 1,0 мкм работа выхода электронов должна быть не менее 4,0 эВ.
4
3
4
m
n
2
Как видно из фигуры 2, заявляемому значению работы выхода электронов удовлетворяют материалы на основе следующих тугоплавких соединений: SiC, BC, ZrC, BN, SiN, TIN, AlN, TiCN, (TiCN)O, ZrO. Причем выбор материалов на основе оксидов и комбинированных соединений, как следует из фигуры 2, предпочтительнее по сравнению с карбидами и нитридами.
Таблица 1
Работа выхода электронов керамического материала
Керамический материал
Работа выхода, φ, эВ
Тип соединения
Основной состав
Карбиды
WC
3,8
SiC
4,0
В<sub>4</sub>С
4,3
ZrC
4,6
Нитриды
BN
4,4
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>
4,7
TiN
4,9
A1N
4,9
Комбинированные
TiCN
5,2
(TiCN)<sub>m</sub>O<sub>n</sub>
5,5
Оксиды
ZrO<sub>2</sub>
5,8
Таблица 2
Состав и работа выхода электронов материала инструмента, шероховатость поверхности труб при изготовлении по известному и предлагаемому способам
Способ волочения
Состав материала инструмента
Работа выхода, эВ
Шероховатость поверхности труб, R<sub>a</sub>, мкм
перед волочением
после волочения
известный
WC - 15% Со
3,8
<img file="00000001.tif" he="11" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
предлагаемый
78% TiCN - Mo, Ni
5,2
<img file="00000002.tif" he="11" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="11" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
не менее 70% (TiCN)<sub>m</sub>O<sub>n</sub> - Zr, Та, Nb
5,5
<img file="00000004.tif" he="11" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
ZrO<sub>2 </sub>- 20% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 4% Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,8
<img file="00000005.tif" he="11" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />