4 Задания к работе

1. Изучить технологические операции и оборудование для изготовления молибденовой проволоки (по разделу 1 настоящей работы и путём ознакомления с работой производственной линии цеха тугоплавких металлов ГУП РМ «ЛИСМА»).

2. Изучить методологию получения микрошлифов и определения микроструктуры материалов (металлографического анализа проволоки).

3. Выполнить выборочный контроль качества молибденовой проволоки различных марок и диаметров.

4. Изучить виды и причины брака молибденовых прутков и проволоки, провести анализ брака для текущей продукции цеха.

5. Оформить отчёт о выполнении работы, содержащий материалы по п.п. 1-4.

5 Контрольные вопросы

1. Каковы основные этапы изготовления молибденовой проволоки?

2. Какую роль играют присадки в молибденовой проволоке различных марок?

3. Чем отличаются микроструктуры проволок с различными присадками и без них?

4. Имеются ли отличия температурных режимов обработки штабиков и проволоки из W и Mо? Каковы эти отличия?

5. Почему делают отжиг молибденовой проволоки на разных стадиях волочения?

6. Почему применяется смазка молибденовой проволоки при волочении? Каков её состав?

7. Как удаляют смазку с поверхности готовой проволоки, когда и где это делается?

8. Каковы виды причины брака молибденовых штабиков, прутков и проволоки?

Лабораторная работа №3

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАТИНИТА

(Продолжительность лабораторной работы – 4 ч; домашняя подготовка – 2 ч)

Цель работы: ознакомление с технологическим процессом изготовления проволоки из платенита.

1 Краткие прикладные и теоретические сведения по изучаемым вопросам

Изделие, состоящее из слоев двух разных металлов, прочно соединенных друг с другом по всей поверхности соприкосновения, носит название биметалла. Платинит представляет собой холоднотянутую проволоку из биметалла, сердечник которой состоит из ферроникелевой стали (Ре - 58%, Ni - 42%), оболочка из меди, а проволока покрыта пленкой безводного борнокислого калия.

Таблица 3.1 – Параметры платенита
Свойства платинита	Абсолютные значения
Удельный вес, г/см3	8,3 – 8,4
Средний к.т.р. при 20-1000С, 10-7 1/град	Радиальный 80 – 100, осевой 60 – 73
Удельное электрическое сопротивление при 200С, Ом·мм2/м	0,04 – 0,06
Теплопроводность при 200С, кал/см·сек·град	0,4
Временное сопротивление разрыву, кГ/мм2	30 – 50
Относительное удлинение, %	20 – 35
Максимальная рабочая температура, 0С	На воздухе 150, в вакууме 400
Химический состав керна, %	42,5 – 44 Ni, 56 – 57,5 Fe
Содержание меди в платините, % вес.	21 – 30
Привес борнозакисного слоя, мг/см2	0,8 – 1,6
Разнотолщинность медной оболочки по сечению проволоки	К=mмин/mмакс=0,4÷1,0
Стекла, согласующиеся по к.т.р. с платинитом	С-87-1, С-88-8, С-89-2, С-90-1 и др.

В отличие от обычного металлического покрытия, имеющего незначительную толщину и чаще всего имеющую цель защиты основного металла от коррозии, оболочка платинита составляет около 26% его веса и, помимо противодействия коррозии, оказывает существенное влияние на его физико-механические свойства. Сталеникелевый сердечник платинита имеет малый коэффициент теплового расширения (50·10^-7 град^-1), а медная оболочка - большой (180·10^-7 град^-1). Суммарное тепловое расширение сердечника и оболочки обеспечивает коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) 90±5·10^-7 град^-1, что обеспечивает его спаивание со стеклами платинитовой группы. Чем больше никеля содержится в сердечнике (в интервале от 40 до 50%) и тем толще покрывающая сердечник медная оболочка, тем больше коэффициент расширения платинита в поперечном направлении. Применение сердечника со строго заданным содержанием никеля и наращивание на него равномерного слоя меди заданной толщины обеспечивают получение платинита с требуемым коэффициентом расширения. Сталеникелевый сердечник, кроме того, повышает прочность и жесткость платинита. Технологическая схема изготовления платинита приведена на рисунке 3.1.

	Очистка прутков от смазки
Н2 ←	Отжиг прутков	→ С2НС13
	Анодное травление	→ Н2SO4
	Промывка
Сжатый воздух, пар, вода	Меднение прутков	→ Cu2SO4, Н2SO4 Медные аноды
	Промывка, сушка
	Контроль покрытия
Н2 ←	Отжиг прутков диаметром 9,3 мм
	Заковка концов	→ Н2SO4
Газ, воздух	Волочение на цепном стане диаметр 9,3 - 4,5 мм	→ Мыльный порошок
Н2+N2	Отжиг прутков диаметром 4,5 мм
	Сварка встык. Обточка
	Волочение на блочном стане диаметр 4,5 - 1,8 мм	→ Мыльный порошок
Н2+N2	Перемотка в бухты
	Отжиг в бухтах диаметр 1,8 мм
	Перемотка
	Многократное волочение диаметр 1,8 - (0,8 - 0,25) мм	Эмульсия аминового мыла
Н2+N2	Отжиг проволоки перемоткой диаметр 0,25 - 0,8 мм
Газ, сжатый воздух	Борирование проволоки Диаметр 0,25 – 0,8 мм	КОН + Н3ВО4
	Контроль платинита	CuCl3 + NH4OH
	Упаковка, маркировка

Рисунок 3.1- Технологическая схема производства платенита.

Исходным материалом для производства платинита служат прямые шлифованные прутки из специальной ферроникелевой стали марки Н-42 диаметром около 8 мм и длиной 1600±50 мм, содержащей 42,5-44% никеля и 57,5-56% железа. Прутки перед применением отжигают 1,5 час в водороде при 1200-1500°С с целью снятия внутреннего напряжения, улучшения обрабатываемости, восстановления окислов, удаления поверхностных загрязнений и обезгаживания.

Процесс меднения. Отожженные прутки очищают электролитическим (анодным) травлением в 30%-ном растворе серной кислоты с последующей промывкой холодной проточной водой. Травление придает пруткам чистую светлую матовую поверхность, требуемую для прочного сцепления медной оболочки с сердечником.

Операцию меднения прутков выполняют электролитическим осаждением меди в гальванической ванне, футерованной винипластом. Ванны заполняют электролитом, составленным из водного раствора медного купороса и серной кислоты. Анодом служат погруженные в ванну толстые пластины из электролитической меди, а катодом — подвешенные на шинах прутки, одинаковые по длине и весу. Под действием постоянного тока, подведенного к ванне от выпрямителя, поверхность прутков покрывается атомами меди, собирающимися в кристаллы. Последние, накапливаясь в большом количестве, образуют сплошную медную «рубашку». В одной ванне одновременно меднятся 12-14 прутков. Меднение продолжается 6-8 ч при плотности тока 8-10 А/дм². После достижения требуемого привеса меди (35% от веса сердечника) прутки выгружают, промывают проточной водой и протирают насухо фильтровальной бумагой.

Г

Рисунок 3.2 - Схема установки для меднения прутков.

альванически панны применяют вертикальные и горизонтальные. При горизонтальном положении прутков достигается более равномерное осаждение меди. В нижнюю часть ванн подводят через перфорированные трубы очищенный от масла технический сжатии воздух, который, барботируя, равномерно перемешивает электролит. Схема такой установки приведена на рисунке 3.2.

Звездочка посажена на конец прутка; за каждый оборот барабана звездочка своим зубом находит на неподвижный упор, который периодически поворачивает прутки вокруг своей оси на угол 60°.

Операция меднения оказывает решающее влияние на способность платинита давать герметичные фай со стеклом. Особенно большое влияние оказывают привес меди, равномерность распределения мели по периметру и длине прутка и прочность сцепления меди с основой. Неравномерная толщина медной оболочки получается при плохом перемешивании электролита, неравномерном распределении анодных пластин вдоль анодной Инины и плохом состоянии контактов в электрической цепи ванны. Прутки, имеющие до меднения диаметр около 8 мм, приобретают после меднения диаметр около 9,3 мм. Хорошо меднение прутки имеют разность в диаметре по всей длине не более 0,6 мм.

Полезным мероприятием, уменьшающим неравномерность медной оболочки, служит применение барабанных гальванических ванн, в которых прутки приводятся во вращение как в беличьем колесе.

Полученные биметаллические прутки перед механической обработкой отжигают в водороде при 850°С в течение 1 ч.

Прочность сцепления меди с сердечником оценивают изгибанием медненого прутка в тисках до излома и визуальной оценкой излома.

Механическая обработка. Отожженные медненые прутки протягивают через последовательно уменьшающиеся волоки из твердых сплавов. В отличие от вольфрама и молибдена платинит тянут в холодном состоянии, так как он обладает достаточной для этого пластичностью.

Золочение с диаметра 9,3 мм ведут на цепном стане. Перед каждым волочением концы прутков разогревают в печи и утоняют на за вальцовочной или ротационной ковочной машине. При диаметре 4,5 мм прутки отжигают в водороде. После отжига каждые двенадцать - четырнадцать прутков, медненых одновременно в одной ванне и составляющих одну партию, сваривают встык в одну длинную проволоку. Места сварки затачивают на точиле или опиловывают. Сварка позволяет сократить число заправок концов проволоки в волоки.

Волочение с диаметра 4,5 мм ведут на однократных машинах, а с диаметра 2 мм - на многократных. При диаметрах 3,0 и 1,8 мм проволоку снова отжигают в водороде. Отжигом придают проволоке механические свойства, необходимые для дальнейшего волочения, а также облегчают на границе медь-сталь диффузию этих металлов друг в друга и хорошее сцепление их между собой. Многократное волочение ведут со смазкой мыльной эмульсией.

Наиболее опасный брак при волочении платинита - продольные царапины (риски), отслаивание и неравномерная толщина меди. Первый брак получается при плохо отполированных волоках или волоках, загрязненных частицами металла, второй - при неудовлетворительной очистке сердечника перед меднением или контактном осаждении меди на сердечнике (например, когда отсутствует ток в гальванической ванне), третий - при нeконцентричности медного покрытия в исходных прутках и малом числе промежуточных отжигов при волочении.

Каждую катушку проволоки анализируют на содержание меди: отрезок проволоки взвешивают на торзионных весах, удаляют медь в аммиачном растворе двухлористой меди и снова взвешивают. При содержании никеля в сердечнике от 42,5 до 44% отрезок проволоки, независимо от диаметра, должен содержать медь в пределах 21-30% к общему весу.

Некоторые зарубежные предприятия изготавливают платинит «трубочным» методом. На обточенные и отшлифованные прутки из никелевой стали наматывают тонкую латунную фольгу и надевают калиброванную бесшовную трубку из бескислородной меди. Прутки с надетой трубкой заковывают с одного конца на конус и протягивают на цепном стане для уплотнения. Затем прутки нагревают в водородной печи до температуры, при которой латунная фольга плавится и плотно спаивает медную трубку с сердечником (латунь плавится при более низкой температуре, чем медь и никелевая сталь). Далее прутки куют на ковочной машине и протягивают на волочильных машинах до требуемого диаметра. Такой метод более сложен и менее производителен, чем электролитический, но дает продукт с более однородной толщиной медной оболочки.

Борирование. Перед поступлением на операцию борирования проволоку перематывают через ванну с 2%-ным раствором аммиака для отмывки следов мыльной эмульсии и отжигают перемоткой через водородную печь с холодильником для обезгажнвания и придания проволоке заданных механических свойств.

Как уже было сказано, непременным условием получения газонепроницаемого впая служит хорошая смачиваемость металла расплавленным стеклом. Соблюдение этого условия достигается окислением поверхности платинита до закиси меди, способной легко диффундировать в стекло и прочно сцепляться с металлической медью. Меднозакисную поверхность насыщают тонким слоем безводного тетраборнокислого калия К₂В₄О₇ или тетраборнокислого натрия Na₂B₄O₇ (буры). Борирование преследует три цели: во-первых, защитить во время хранения платинита медную оболочку от воздействия, атмосферы, во-вторых, образовать переходное стеклообразное вещество, улучшающее смачивающую способность платинита, и, в-третьих, воспрепятствовать переокислению платинита при изготовлении ножек.

Калиевая бура менее гигроскопична, чем натриевая, поэтому при борировании платинита си отдают предпочтение. Раствор приготовляют из едкого кали 1,3 кг, борной кислоты 2,6 кг и дистиллированной воды 10 л.

На рисунке 3.3 схематично изображена установка борпрования, состоящая из одной ванны и двух газовых печей. Сначала проволоку очищают ватным тампоном, смоченным в спирте, затем нагревают в первой печи длиной около 300 мм до темно-красного свечения (650-750°С). Под влиянием такого нагрева медная оболочка покрывается тончайшим слоем окислов желтовато-серого цвета. Окисленная проволока проходит по направляющим роликам в ванну с подогретым насыщенным водным раствором буры и покрывается равномерным слоем этого раствора. Далее проволока проходит во вторую печь длиной около 450 мм, нагреваясь в ней до желтого свечения (830-950⁰С). При таком нагреве окись меди (СuО) распадается под слоем буры в красную закись меди (Сu₂О), а бура обезвоживается, плавится, растекается равномерно по закиси меди и вступает с ней во взаимодействие. На поверхности платинита образуется сплошная пленка стекловидной массы - борной эмали красного цвета различного оттенка. При выходе из второй печи эта пленка защищает горячий платинит от переокисления на воздухе. После борирования проволоку наматывают на катушку достаточно большого диаметра, чтобы при последующем выпрямлении ее на автоматах сварки электродов не повреждался слой буры.

На одной установке с целью повышения производительности обычно борируют параллельно две линии проволок.

Рисунок 3.3 - Установка борирования платинита.

1 — спускная катушка; 2 — направляющие ролики; 3 — первая газовая печь;

4 — ванна с раствором буры; 5 — вторая газовая печь; 6 — ведущий барабан.

Температуру в печах контролируют термопарой или на глаз по цвету накала проволоки. Цвет готовой борированной проволоки должен быть кирпично-красным. Желтый пли бледно-розовый цвет получается при недогреве во второй печи, а темно-красный - при перегреве.

Раствор буры нагревают до 60-80° С. При более низкой температуре увеличиваются вязкость и плотность раствора, что влечет зa собой растрескивание борной пленки на платините. При более высокой - уменьшаются вязкость и плотность раствора, что влечет за собой образование темных пятен на платините. Перенасыщенный раствор буры приводит к образованию сколов на борированной поверхности, а слабонасыщенный - к уменьшению толщины борной пленки.

Борирование производят со скоростью от 5 м/мин при диаметре проволоки 0,8 мм до 18 м/мин при диаметре 0,25-0,30 мм.

В процессе работы раствор буры в ванне постепенно загрязняется окисью меди и убывает за счет испарения и уноса поверхностью проволоки. Его пополняют несколько раз в смену и полностью обновляют раз в неделю.

Темные полосы и пятна на платините получаются при недостаточной очистке поверхности проволоки перед борированием, излишне высокой или низкой температуре в первой и второй печах, чрезмерно большой или малой концентрации буры в растворе, высокой температуре раствора и трении проволоки о борт ванны или о стенки печи промежуточного отжига. Темные полосы и пятна, получившиеся в результате механического повреждения медной оболочки, являются опасным браком, так как могут вызывать натекание воздуха в лампу. Ввиду трудностей в определении природы темных полос и пятен платинит с такими пороками бракуют.

Причинами хрупкого, осыпающегося борнозакисного слоя могут быть повышенная концентрация и низкая температура борного раствора, недостаточное Предварительное окисление проволоки в первой печи, перегрев проволоки во второй печи и пережог медного покрытия при отжиге платинита перед борированием.

При нагреве в двух печах платинитовая проволока одновременно с борированием отжигается. В случаях неудовлетворительной регулировки огней газовых печей проволока приобретает неоднородные по длине механические свойства. Для последующего изготовления электродов важно, чтобы относительное удлинение платинита было не менее 18%.

Операция борирования наряду с операцией меднения оказывает решающее влияние на качество платинита.

Испытания. Каждую катушку готового платинита проверяют. Проволоку перематывают с катушки на катушку и при перемотке просматривают ее поверхность на обеих катушках. Участки в местах стыковой электросварки, оставшиеся заметными после борирования, и участки с темными полосами, точками, шелушением буры и другими недостатками отматывают и вырезают.

Для определения поперечного коэффициента расширения платинита снимают с него борную пленку погружением в нагретый до 60-80°С 2%-ный раствор лимонной кислоты и анализируют свободную от буры проволоку на медь и никель. По содержанию этих металлов находят по таблице коэффициент расширения.

Концентричность и равномерность толщины медной оболочки платинита оценивают металлографическим анализом торцевого шлифа.

О качестве платинита иногда судят по результатам испытания пробных вакуумных ламп после длительной выдержки.

Внешняя борная пленка платинита легко впитывает влагу и выветривается, поэтому платинит хранят и теплом сухом месте. Поверхность проволоки на катушке закрывают влагонепроницаемой бумажной лентой. Заполненные катушки хранят в металлических коробках с плотно закрывающейся крышкой; щели между коробкой и крышкой заклеивают изоляционной лентой.

Основные виды брака.

Неравномерная толщина медной оболочки по длине и периметру прутков. Этот вид брака вызывается неравномерным растворением медных анодов, нестабильным контактированием прутков с катодной шиной, неравномерным борбатированием сжатого воздуха по длине ванны.

Грубая шероховатая поверхность прутков имеет место в случае загрязнения электролита взвешенными частицами, повышения катодной плотности тока или уменьшения интенсивности перемешивания электролита. Виды брака на этой операции показаны на этой операции показаны на рисунке 3.4.

В процессе отжига омеднённых прутков дополнительно выявляются такие виды брака, как:

• Отслой медной оболочки от стального сердечника в результате некачественного выполнения операции предварительной подготовки прутков к меднению.

• Образование пузырей и трещин в медной оболочке в результате загрязнения электролита органическими веществами или анодным шламом, а также наличие закатанных или зашлифованных механических дефектов в стальных прутках.

Основные виды брака на операции волочения следующие:

• Обрывы вследствие сползания медной оболочки в виде наплыва или «гармошки».

• Механические дефекты поверхности: продольные царапины (риски), сдиры.

Рисунок 3.4 – Основные виды брака

а) Концентричный слой меди в платинитовой проволоке;

б) Неконцентричный слой меди в платинитовой проволоке;

в) Оплавление медной оболочки платинитового ввода при вварке в стекло;

г) Оголение сердечника платинитового ввода вследствие растравливания медной оболочки

• Разнотолщинность медной оболочки из-за малого числа промежуточных отжигов, чрезмерно жесткой деформации проволоки или её перекоса в фильере. Одной из причин разнотолщинности медной оболочки является значительная и неравномерная деформация биметаллических прутков при их волочении в проволоку.