8.3. Контактное трение и смазки при волочении труб

При волочении около половины расходуемой энергии затрачивается на преодоление внешнего трения. Выделяющаяся в результате работы силы трения тепловая энергия аккумулируется инструментом и трубой, что вызывает разогрев инструмента, ухудшает условия работы смазки и приводит к возникновению дефектов на трубах.

t = f (Р + F₀ р₀), (8.7)

где f – коэффициент трения; Р – нормальное усилие; F₀ – истинная площадь контакта двух поверхностей; р₀ – удельная сила молекулярного притяжения (удельного сцепления, удельного прилипания), действующая на единицу площади F₀ действительного контакта тел.

По данным М.З. Ерманка при волочении в обычных волоках силы трения на контакте металла с инструментом могут составить ~ 30% усилия волочения. Силу трения при волочении можно снизить обработкой поверхности волоки (доведения ее до зеркального блеска); предварительной обработкой поверхности трубы, травлением, анодированием, оксалатированием, омеднением, фосфатированием и т. п., применяя поверхностно-активные смазки; созданием условий принудительной подачи смазки в деформационную зону, условий, снижающих радиальные напряжения. Однако технологические смазки не всегда надежно разъединяют трущиеся поверхности, особенно при волочении труб из КС-сталей и сплавов. Тогда на трубную заготовку наносят технологическое покрытие.

Важнейшая функция технологических смазок – снижение сил трения на контактных поверхностях в очаге деформации. Эффект применения смазок обусловливается качеством поверхности труб, увеличением обжатий, повышением скорости волочения, улучшением энергосиловых параметров деформации, уменьшением износа технологического инструмента.

Общие требования к смазке для волочения состоят, в основном, в том, чтобы она равномерно и непрерывно смачивала трущиеся поверхности протягиваемого металла и волоки и прочно прилипала к ним. Пленка смазки должна быть механически прочной, выдерживать, не разрываясь, значительные давления волочения в зоне соприкосновения металла и волочильного инструмента, при многократном волочении должна прочно, без разрывов, сохраняться на поверхности металла в течение ряда последовательных проходов. При применении смазки должны максимально снижаться внешнее трение между протягиваемым металлом и волокой, и, как следствие, уменьшаться усилие волочения и расход мощности, затрачиваемой на волочение, а также быть облегчены условия пластической деформации металла при протяжке. Смазка должна легко проникать во входную часть волоки, не создавая пробок (спекшихся комков), мешающих поступлению новой порции смазки, быть устойчивой, т. е. расслаиваться, не изменять резко свои физико-химические свойства при повышенных температурах и давлениях в канале волоки, а также при хранении.

При применении смазки износ волок должен быть минимальным, а металл не должен прилипать к волоке. Смазка должна обладать высокими теплопроводностью и теплоемкостью и предотвращать сильный разогрев при протяжке, предохранять от коррозии между отдельными стадиями его обработки, не должна вызывать коррозии протягиваемого металла и волочильного оборудования, давать значительного или трудноудаляемого осадка на поверхности металла после термической обработки, а также оказывать вредного влияния на свойства термически обрабатываемого металла. В смазке не должно содержаться веществ, отравляющих окружающих воздух или вредно влияющих на кожу рабочих, а также издающих неприятный запах, раздражающих слизистую оболочку и дыхательные пути, загрязняющих рабочее место, руки и одежду волочильщика. Смазка не должна быть огнеопасной и ухудшать эксплуатационные свойства протянутого материала.

Калибровка волоки и большие контактные напряжения способствуют интенсивному выдавливанию смазки в направлении, обратном волочению. Во избежание такого отгона необходимо применение смазок с повышенной адгезией с протягиваемым металлом и вязкостью в условиях деформационной зоны.

Наиболее эффективно влияние смазки сказывается при введении в смазочный слой малых добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ). Помимо уменьшения внешнего трения на соприкасающихся поверхностях, ПАВ смазок оказывают и так называемое внутреннее смазочное действие, облегчая тем самым деформацию металла.

Молекулы ПАВ не только адсорбируются на поверхности металла, но и проникают в дефектные области кристаллической структуры металла, подвергаемого волочению: блоки, зерна, дислокационные ядра, которые, обладая избыточной энергией, служат местами избирательной адсорбции элементов. При проникновении ПАВ зоны дефектов изменяется подвижность этих дефектов, образуется развитая свободная поверхность, что приводит к своеобразному размягчению поверхностного слоя и, следовательно, к облегчению пластической деформации при волочении. В результате адсорбированного пластифицирования тончайшего поверхностного слоя обрабатываемого металла вся дополнительная сдвиговая деформация, связанная с силами трения, локализуется в этом слое, что значительно облегчает процесс обработки металла, улучшает качество поверхности и снижает износ обрабатывающего инструмента (табл. 8.1).

Таблица 8.1. Смазки, применяемые при холодном волочении труб (по данным Я.Н. Липкина, В.М. Штанько)

Смазка (состав, мас. %, вода – остальное)	Волочение	Подготовка поверхности трубной заготовки
Трубы из углеродистых и низколегированных сталей
Хозяйственное мыло (7–9)	Оправочное, безоправочное	Омеднение, фосфатирование
Омыленные жирные кислоты (4–7), триэтанолатин (1–5)	То же	То же
Омыление жирные кислоты (2–5)	— “ —	— “ —
Хлорпарафин (100)	Безоправочное	Травление
Омыленные жирные кислоты (2–6), триполифосфат натрия (1–2), тальк (0,2–1)	Оправочное, безоправочное	Омеднение + фосфатирование
Хозяйственное мыло или мылонафт (1–2)	Безоправочное	Травление + окисление на воздухе
Натриевые мыла разной жировой основы (12), триполифосфат (0–5)	Оправочное, безоправочное	Травление
Минеральное масло (72–82), кальциевое мыло (28–18)	Безоправочное	Без подготовки
Трубы из высоколегированных сталей
Хлорпарафин (70–100), мыльный порошок (30–0)	Безоправочное	Травление с осветлением
Мыльный порошок (95–100), сера (5–0)	То же	Омеднение, оксалатирование, осветление