СПОСОБ КОНТАКТНОГО МЕДНЕНИЯ ПРОВОЛОКИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C21D9/52 C23C10/20 C21D9/58 

Изобретение относится к производству проволоки и может быть использовано в метизном производстве при изготовлении сварочной легированной и низкоуглеродистой проволоки.

Известен способ изготовления медненной легированной сварочной проволоки, включающий волочение заготовки, отжиг в контролируемой атмосфере, декапирование (химическую активацию), омеднение, промывку и калибровку (уплотняющую протяжку) с обжатием 1-5% при этом процессы отжига и омеднения осуществляют в потоке, отжиг проволоки проводят в нитку при 700-1000^оС в течение 1-3 мин с последующим охлаждением в той же атмосфере до 100^оС.[1]
Недостатками данного способа являются низкая скорость меднения проволоки: при заданных режимах термической обработки скорость протягивания проволоки на агрегате отжиг-меднения составляет 10-20 м/мин [2] большие производственные площади, занимаемые агрегатом отжиг-меднение 250 м²; узкая специализация агрегата, что ограничивает сферу его использования. На нем возможно обрабатывать проволоку, механическая прочность которой на готовом размере должна быть ниже требуемой по ГОСТ 2246-70. Необходимую в этом случае термическую обработку целесообразно совмещать с операцией меднения. В случае, когда механические свойства проволоки должны соответствовать требованиям ГОСТ 2246-70, необходимость в термической ее обработке отпадает, и указанный способ контактного меднения применять нецелесообразно.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления проволоки стальной омедненной сварочной [3]
Омеднение проволоки осуществляется по следующей технологической схеме: электрохимическое обезжиривание при 70-90^оС, промывка в горячей и холодной воде, травление (химическая активация), промывка, контактное меднение, промывка, уплотнение медного покрытия, сушка и намотка проволоки.

Способ осуществляют на многониточной поточной линии меднения со скоростью протяжки проволоки 40-60 м/мин, что обеспечивает время нахождения проволоки в ванне контактного меднения до 13 с. Проволока по данному способу меднения проходит прямолинейно технологические ванны в последовательности, соответствующей технологической схеме. Все технологические ванны, за исключением ванны электрохимического обезжиривания, выполнены с переливом рабочих растворов, что исключает необходимость применения погружных роликов. После ванн химической активации и промывок применяются механические или воздушные обтиры.

Недостатками известного технического решения являются низкие скорости движения проволоки (45-60 м/мин) и большие производственные площади, занимаемые агрегатом меднения проволоки (250-280 м²).

Целью изобретения является повышение производительности за счет повышения скорости меднения, сокращение производственных площадей и улучшение качества медного покрытия: исключение нарушений его сплошности и обеспечение толщины покрытия не менее 0,1 мкм. Нарушение сплошности медного покрытия на сварочной проволоке и малая его толщина нарушают стабильность горения дуги при сварке и качество сварного шва, а также увеличивает разбрызгивание металла при сварке.

Цель достигается тем, что при сохранении технологических операций и их последовательности, присущих прототипу (многониточным агрегатам меднения), проволоку при каждой технологической операции подвеpгают упруго-пластическому деформированию изгибом с относительной деформацией в поверхностном слое 0,4-0,8% затем после каждой технологической операции пропускают через обтир, время обработки на каждой технологической операции 0,5-3,0 с при температуре окружающей среды.

Заявляемый способ предусматривает циклическое упруго-пластическое деформирование проволоки в технологических ваннах с регламентированной степенью относительной деформации в поверхностном слое, что сопровождается обновлением поверхности и за счет этого интенсификацией процессов очистки проволоки от технологической смазки, химической ее активации и осаждения меди из подкисленного раствора медного купороса. Концентрация компонентов в рабочих растворах при этом понижается по сравнению с прототипом (вариант 1), обезжиривание либо не производится, либо производится без наложения электрического тока (т.е. химическое, а не электрохимическое обезжиривание). При таком способе прохождения проволоки конечный эффект каждой технологической операции достигается за 0,8-3,0 с.

Применение обтиров (механических, воздушных и т.п.) после каждой технологической операции предотвращает перенос рабочих растворов в последующие технологические растворы, что увеличивает срок их службы, а также удаляет с поверхности проволоки остатки загрязнений после опраций обезжиривания и промывки и травильный шлам после операции химической активации.

Цель изобретения повышение качества подготовки поверхности проволоки к нанесению покрытия, что обеспечивает стабильность качества медного покрытия по толщине и сплошности и повышает скорость меднения.

Обтиры после операции меднения и последующей промывки предотвращают перенос солей металлов (меди, железа и др.) в ванну с волочильной эмульсией, основным смазочным компонентом которой является натровое мыло (стеарат натрия). Поступающие в эмульсию соли этих металлов вступают в реакцию замещения со стеаратом натрия с образованием нерастворимых стеаратов, выпадающих в осадок, при этом уменьшается содержание стеарата натрия, что приводит к расслоению эмульсии. Наличие обтиров продлевает работоспособность эмульсии и обеспечивает удовлетворительные условия смазки при уплотняющей протяжке, что положительно влияет на качество медного покрытия по толщине и сплошности. При неудовлетворительной смазке в случае начинающегося или полного расслоения эмульсии часть медного покрытия механически снимается в рабочей зоне волоки, что сопровождается, соответственно, уменьшением толщины покрытия и оголением сердечника, т.е. нарушением сплошности покрытия, кроме того снимаемые с поверхности проволоки медные частицы забивают рабочий конус волоки, что является дополнительным источником ухудшения качества медного покрытия.

Технологическая операция обезжиривания проводится без наложения электрического тока и может быть заменена операцией промывки в воде или исключена из технологического процесса. Наличие операции обезжиривания в технологическом процессе определяется количеством остаточной технологической смазки на поверхности проволоки, что зависит от вида подсмазочного покрытия на заготовке (известь, фосфат, бура или без покрытия после светлого отжига), конструкции волочильного инструмента при изготовлении заготовки под меднение (сборные или одинарные волоки) и вида волочильной смазки (сухая или жидкая), т. е. зависит от конкретных производственных условий, и необходимость ее применения определяется в каждом конкретном случае. Эти же факторы определяют необходимость повышения температуры промывки до 50^оС, поскольку при этом повышается интенсивность удаления загрязнений с поверхности проволоки, в частности волочильной смазки, количество которой определяется перечисленными выше факторами.

Известна установка для контактного меднения проволоки конструкции итальянской фирмы S.A.M.P. [4] работающая в линии с многократным станом мокрого волочения, включающая емкости для технологических растворов и погружные устройства для погружения и транспортировки в них проволоки, состоящие из рабочих и обводных роликов. Рабочие ролики монтируются на рычажно-поворотной системе с раздельным ручным приводом для ванны меднения и ванн промывки и смазки. Рычажно-поворотная система обеспечивает плоско-параллельное перемещение в вертикальной плоскости рабочих роликов ванны меднения из рабочего в заправочное положение с выводом их из рабочего раствора. Рабочие ролики ванн промывки и смазки переводятся в заправочное положение поворотом рычага, жестко связанного с кронштейном, на котором закреплены рабочие ролики. Обтиры между емкостями с технологическими растворами не устанавливаются.

В ванне меднения применяются многоручьевые ролики, в ваннах промывки и смазки одновитковая заправка.

Установка меднения (прототип) имеет в своем составе три емкости с технологическими растворами: меднения, промывки и жидкой волочильной смазки.

Недостатки установки-прототипа состоят в следующем.

Проволока в ванну меднения поступает непосредственно из волочильного стана, операции подготовки поверхности проволоки к нанесению покрытия (удаление волочильной смазки, химическая активация поверхности) не предусмотрены.

В связи с этим качество медного покрытия не стабильно при заданном времени меднения (не менее 3 с): неравномерность толщины покрытия по длине и нарушение его сплошности. Толщина медного покрытия, осажденного на неподготовленную соответствующим образом поверхность проволоки за время ее нахождения в растворе меднения менее 3 с, составляет менее 0,1 мкм, что не соответствует предъявляемым техническим требованиям (толщина покрытия должна быть 0,1-0,8 мкм).

Отсутствие обтиров на входе в емкости с технологическими растворами приводит к интенсивному загрязнению раствора меднения, что снижает его работоспособность и расслоение волочильной эмульсии за счет образования нерастворимых жирно-кислотных солей металлов (меди, железа и др.).

Применение многоручьевых рабочих роликов приводит к механическому съему части медного покрытия с проволоки в процессе ее движения и налипанию меди в ручьях рабочих роликов за счет проскальзывания проволоки вследствие ее упругой деформации.

Горизонтальное расположение осей рабочих роликов в емкости с раствором меднения не позволяет рационально использовать глубину емкости с технологическим раствором.

Целью изобретения является реализация заявляемого способа и исключение отмеченных недостатков прототипа.

Поставленная цель достигается тем, что установка для контактного меднения проволоки, включающая технологические ванны, число, последовательность и назначение которых соответствуют заявляемому способу, и устройство погружения и транспортирования проволоки в виде обводных и рабочих роликов, снабжена элементом перемещения устройства погружения и транспортирования проволоки, на котором смонтированы обводные, рабочие ролики и обтиры, при этом рабочие ролики выполнены в виде роликовых систем полиспастного типа, а диаметр рабочих роликов выбран по соотношению D_p=d(1/E_и-1), где d диаметр обрабатываемой проволоки, Е_и 0,004-0,008.

На фиг.1 приведена схема предлагаемой установки; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 схема платформы с вертикальными подвесками.

В первом варианте установки (фиг.1, 2) элемент 1 перемещения выполнен в виде поворотной крышки 2, а обводные и рабочие ролики смонтированы перпендикулярно крышке посредством осей.

Во втором варианте установки (фиг.3) элемент перемещения выполнен в виде имеющей возможность вертикального перемещения платформы 3 с вертикальными подвесками 4, а обводные и рабочие ролики смонтированы на подвесках посредством осей.

На фиг. 1, 2 приведена схема установки по варианту 1. Проволока через обводной ролик 5 направляется на систему рабочих роликов 6 первой технологической ванны, затем через обтир 7 и второй обводной ролик 5 на систему рабочих роликов 6 второй технологической ванны и подобным образом до выходного ролика установки, с которого проволока поступает на вытяжной блок. Число витков проволоки в каждой ванне определяется скоростью протяжки проволоки и заданным временем выдержки проволоки в каждой технологической ванне (0,5-3,0 с) и может быть рассчитано по формуле
n где v скорость протяжки проволоки (м/с), равная линейной скорости вытяжного блока;
l длина одного витка проволоки на рабочих роликах установки (м) определяется конструктивными параметрами установки.

Расположение всех рабочих элементов установки (обводных роликов, обтиров и рабочих роликов) на поворотной крышке обеспечивает в заправочном ее положении беспрепятственную и удобную заправку проволоки. Размещение рабочих роликов на кронштейнах, закрепленных перпендикулярно к поворотной крышке, обеспечивает в ее рабочем положении погружение рабочих роликов с заправленной на них проволокой по диагонали емкости с технологическим раствором, что позволяет, во-первых, рационально использовать глубину емкости с технологическим раствором, за счет чего длина заявляемой 5-ванной установки меднения на 20% меньше 3-ванной установки-прототипа (в прототипе операционные ролики размещаются в горизонтальной плоскости); во-вторых использовать эффективно технологические растворы на всю глубину технологических ванн, непрерывно барботируя растворы движущейся проволокой.

Применение операционных роликовых систем полиспастного типа в отличие от прототипа (вариант 2), где применены многоручьевые ролики, исключает проскальзывание проволоки с нанесенным медным покрытием по ручьям рабочих роликов вследствие ее упругой деформации при натяжении на рабочих роликах. Все упругие деформации проволоки на роликовых системах полиспастного типа компенсируются пропорциональным изменением скорости вращения соответствующего рабочего ролика, что исключается в случае применения многоручьевых роликов. Это техническое решение исключает механический съем части медного покрытия и налипание меди в ручьях рабочих роликов, что неизбежно при проскальзывании проволоки по ручью многоручьевого ролика.

На фиг. 3 приведена схема установки по варианту 2. Заправка проволоки аналогична заправке на установку по варианту 1. В отличие от установки по варианту 1 все рабочие элементы (обводные ролики, обтиры и рабочие ролики на вертикальных подвесках) монтируются на подвижной платформе, перемещающейся в вертикальной плоскости. В остальном на установке по этому варианту реализуются все технические решения, принятые на установке по варианту 1 (вертикальное погружение рабочих роликов с заправленной на них проволокой в технологические растворы; операционные роликовые системы полиспастного типа), положительный эффект которых дан в описании установки по варианту 1.

Для меднения использована проволока диаметром 0,8 и 2,0 мм из стали марки св-08Г2С, протянутая с бурированной заготовки на сборных волоках на сухой волочильной смазке. Проволока заправляется на рабочие ролики всех технологических операций, предусмотренных процессом скоростного контактного меднения (химическое обезжиривание, промывка, химическая активация, меднение, промывка), после каждой операции пропускается через механические обтиры. Скорость протягивания проволоки через роликовую систему устанавливается постоянной 300 м/мин (5 м/с). Время обработки проволоки в ваннах подготовки поверхности (обезжиривания, активации, промывок) устанавливается 0,5 с (по нижнему пределу заявляемого в способе интервала). Это время обработки соответствует обрабатываемой длине проволоки 2,5 м в каждом из указанных растворов.

Время обработки проволоки в ванне меднения устанавливается на крайних уровнях заявляемого интервала: 0,5 и 3,0 с, чему соответствует обрабатываемая длина проволоки, соответственно 2,5 и 15 м. Проведена обработка также и с временем выдержки в ванне меднения 0,4 и 3,2 с, выходящим за пределы заявляемого времени обработки, чему соответствует обрабатываемая длина проволоки, соответственно 4 и 16 м. При постоянных габаритах ванн с технологическими растворами необходимая обрабатываемая длина проволоки устанавливалась путем изменения числа обрабатываемых в каждой ванне витков и межцентрового расстояния между рабочими роликами.

Диаметр рабочих роликов при обработке проволоки D 0,8 мм выбран 200 мм, что соответствует относительной деформации в поверхностном слое 0,4 (нижний уровень, заявляемого в способе интервала), а для проволоки диаметром D 2,0 мм 250 мм, что соответствует относительной деформации в поверхностном слое 0,8% (верхний уровень заявляемого в способе интервала).

Проведено омеднение проволоки D0,8 мм с применением рабочих роликов D 250 мм, что обеспечивает относительную деформацию в поверхностном слое 0,32 (меньше нижнего предела заявляемого в способе интервала), а проволоки D 2,0 мм с применением рабочих роликов D 200 мм, что обеспечивает деформацию в поверхностном слое 1,0 (выше верхнего предела заявляемого в способе интервала).

Химический состав рабочих растворов, г/л:
ванна обезжиривания: NaOH 15,6 Na₂CO₃ 14,3 Na₃PO₄ 32,0
ванна химической активации: H₂SO₄ 86,5 FeSO₄ 19,5
ванна меднения: CuSO₄ 79,8 H₂SO₄ 73,5 FeSO₄ 37,9
Температура всех рабочих растворов равна цеховой температуре (20-22^оС). Обезжиривание производится без наложения электрического тока, т.е. химически.

Результаты меднения проволоки приведены в таблице (опыты 1-10).

Для проверки возможности исключения из технологического процесса операции обезжиривания та же самая заготовка подвергалась меднению при замене обезжиривающего раствора водой (т.е. проволока перед химической активацией проходила через две ванны с водой) и при исключении из технологического процесса ванны обезжиривания без какой-либо ее замены (т.е. проволока перед химической активацией проходила через одну ванну с водой). Остальные технологические операции и их режимы сохранялись без изменения. Результаты приведены в таблице (опыты 11-12 и 13-14 соответственно).

Температура промывки изменялась в пределах 20-60^оС (опыты 15-16).

Для сравнения в таблице приведены результаты меднения аналогичной проволоки на прототипах способа и установки.

Из таблицы следует следующее.

В пределах заявляемых по способу временных интервалов обработки проволоки в технологических ваннах установки меднения (0,5-3,0 с) и при обеспечении относительной деформации в поверхностном слое проволоки 0,4-0,8% толщина медного покрытия 0,12-0,45 мкм, что соответствует предъявляемым к омедненной сварочной проволоке техническим требованиям. Качество медного покрытия удовлетворительное: сплошность его не нарушается (опыты 2,3,6,7).

При уменьшении времени обработки в растворе меднения до 0,4 с, т.е. меньше нижнего предела заявляемого в способе временного интервала (0,5-3,0 с), полученная толщина медного покрытия на проволоке 0,8 мм при обеспечении относительной деформации в поверхностном слое на нижнем пределе (0,4%) заявляемого в способе интервала составила 0,06 мкм (опыт 1), что не соответствует предъявляемым к омедненной сварочной проволоке техническим требованиям, а на проволоке D 2,0 мм при обеспечении относительной деформации в поверхностном слое на верхнем пределе (0,8%) заявляемого в способе интервала 0,1 мкм (опыт 5) и находится на нижнем пределе допустимого, но появляется нарушение сплошности покрытия, т. е. качество покрытия омедненной проволоки становится неудовлетворительным.

При увеличении времени обработки в растворе меднения до 3,2 с и сохранении относительной деформации в поверхностном слое в пределах заявляемой (0,4-0,8% ) толщина покрытия пропорционально увеличивается (опыты 4 и 8). Этим приемом можно пользоваться при предъявлении к омедненной проволоке более высоких требований по толщине покрытия.

В заявляемом способе верхний уровень временного интервала обработки проволоки в каждой технологической ванне взят из расчета гарантированного обеспечения повышенных требований к толщине медного покрытия (не менее 0,2 мкм) с двойным запасом.

При уменьшении относительной деформации в поверхностном слое проволоки до 0,32% путем применения при обработке проволоки D=0,8 мм рабочих роликов с диаметром ручья 250 мм наблюдается уменьшение толщины медного покрытия и нарушение его сплошности, что недопустимо по техническим требованиям (опыт 7). Кроме того, уменьшение относительной деформации в поверхностном слое неизбежно сопровождается увеличением диаметра роликов, а, следовательно, габаритов установки, что не рационально, особенно при увеличении диаметра обрабатываемой проволоки. Так, например, для обеспечения относительной деформации 0,4% в поверхностном слое проволоки D 2,0 мм необходимы рабочие ролики с диаметром по ручью 500 мм, что повлечет за собой существенное увеличение габаритов установки. Так что в каждом конкретном случае величину относительной деформации в поверхностном слое проволоки необходимо устанавливать в заявляемых по способу пределах с учетом рациональности конструктивных решений.

При увеличении относительной деформации в поверхностном слое проволоки до 1,0 путем применения для обработки проволоки D 2,0 мм рабочих роликов D 200 м (опыт 10) наблюдается пропорциональное увеличение толщины покрытия, однако одновременно увеличивается сопротивление протягиванию проволоки через ролики уменьшенного диаметра и появляются ее обрывы после волоки с утяжкой проволоки, что свидетельствует о повышении силы протягивания проволоки до уровня разрывного усилия.

Исходя из этого установлено ограничение верхнего предела величины относительной деформации в поверхностном слое проволоки.

Исключение из технологического процесса операции обезжиривания или замена ее дополнительной промывкой водой (поскольку промывка после обезжиривания в обоих случаях сохраняется) оказывает незначительное влияние на изменение толщины медного покрытия (уменьшение толщины покрытия составляет 5,3 9,3% при замене обезжиривания промывкой; 11,6-15,8% при исключении операции обезжиривания; опыты 11-14). Исходя из этого, с целью упрощения технологического процесса и исключения технологической операции, связанной с применением химических реактивов, в каждом конкретном случае может быть принято решение об использовании операции обезжиривания в данном процессе.

Увеличение температуры промывки до 60^оС приводит к увеличению толщины покрытия почти в два раза, дальнейшее повышение температуры промывки (в опыте до 70^оС) практического значения не имеет.

Приведенные в таблице данные по омеднению проволоки на прототипах способа и установки показывают следующее.

Существенное (в 4,3-26 раз) увеличение времени меднения на прототипе способа не дает пропорционального увеличения толщины медного покрытия, несмотря на использование в процессе всех технологических операций по подготовке поверхности (электрохимическое обезжиривание и химическая активация с промежуточными промывками и обтирами).

Скорость обработки по заявляемому способу в 6,7 раза выше скорости прототипа, хотя в примере реализации способа использована не предельная скорость. Кроме того, при реализации заявляемого способа использованы технологические растворы, по качественному составу аналогичные с прототипом, но с пониженной концентрацией компонентов. Обезжиривание, в отличие от прототипа, проводилось без положения электрического тока в холодном растворе (при температуре окружающей среды).

Габариты установки по заявляемому способу в 125-140 раз меньше габаритов прототипа (2 м² и 250-280 м² соответственно).

При сохранении времени меднения проволоки на верхнем уровне заявляемого временного интервала (3,0 с) на прототипе установки получают толщину покрытия на уровне предъявляемых технических требований, однако на проволоке проявляются нарушения сплошности покрытия. Толщина медного покрытия на проволоке, получаемой на установке (прототип), более чем в 2 раза меньше получаемой на установке по заявляемому способу пир одинаковых условиях обработки в ванне меднения (время обработки 3 с, скорость протягивания 270 и 300 м/мин соответственно).

Габариты установки по заявляемому способу в 1,3 раз превышают габариты установки-прототипа.

Изобретение относится к способам и устройствам для контактного меднения проволоки (П). Сущность изобретения: П при каждой технологической операции подвергают упруго-пластическому деформированию изгибом с относительной деформацией в поверхностном слое 0,4 - 0,8%, затем после каждой технологической операции пропускают через обтир, время обработки на каждой операции 0,5 - 3,0 с. Установка имеет технологические ванны и устройство погружения и транспортирования П в виде узла фиксации с обдиром и смонтированных на нем обводных и рабочих роликов (РР). РР выполнены в виде роликовых систем полиспастного типа, при этом диаметр РР выбран по соотношению D_р = d(1/E_и - 1), где d - диаметр П; E_и = 0,004 - 0,008. Узел фиксации выполнен в виде поворотной крышки, перпендикулярно к которой смонтированы РР, и в виде вертикально перемещающейся платформы с вертикальными стойками, на которых смонтированы РР. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ контактного меднения проволоки, включающий промывку, химическую активацию, контактное меднение, промывку и уплотняющую протяжку, отличающийся тем, что проволоку при каждой технологической операции подвергают упругопластическому изгибу с относительной деформацией в поверхностном слое 0,4 - 0,8%, затем после каждой технологической операции 0,5 - 3,0 с при температуре окружающей среды. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед первой промывкой проводят обезжиривание. 3. Установка для контактного меднения проволоки, содержащая технологические ванны и устройство погружения и транспортирования проволоки в виде обводных и рабочих роликов, отличающаяся тем, что устройство погружения и траснпортирования выполнено с обтиром, на котором смонтированы обводные и рабочие ролики, при этом рабочие ролики выполнены в виде роликовых систем полиспастного типа, а диаметр рабочих роликов выбран по соотношению D_р = d (1/E_и - 1), где d - диаметр проволоки, E_и = 0,004 - 0,008 ( 0,4 - 0,8%) - относительная деформация в поверхностном слое проволоки. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что узел фиксации выполнен в виде поворотной крышки, а рабочие ролики смонтированы перпендикулярно крышке посредством осей. 5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что узел фиксации выполнен в виде имеющей возможность вертикального перемещения платформы с вертикальными стойками, а рабочие ролики смонтированы на стойках посредством осей.