Особенности трения при волочении. Проблемы смазки тесно связаны с вопросами внешнего трения. Внешним называют трение, сопутствующее и противодействующее относительному перемещению двух соприкасающихся тел.
Принято различать три вида внешнего трения: сухое, граничное и жидкостное.
Сухое или истинно внешнее трение - это трение в отсутствие смазки на соприкасающихся поверхностях двух тел. Следует отметить, что наличие на поверхности контактирующих тел пленок окислов адсорбированных из атмосферы газов оказывает некоторое смазочное действие.
Граничное трение возникает в тех случаях, когда между соприкасающимися телами имеется чрезвычайно тонкий слой адсорбционной смазки, обладающий особыми свойствами.
Жидкостное трение отличается значительным слоем смазки между трущимися поверхностями, полностью их разделяющим и характеризуется внутренним трением в смазке.
На основе исследований последних лет можно сделать следующие выводы:
I. Из всех видов обработки металлов давлением наименьшие коэффициенты трения наблюдаются при волочении, для которого в обычных условиях процесса характерно граничное трение.
2. При повышении давления, высоких скоростях волочения и недостаточно удовлетворительных смазках (жесткие условия волочения) коэффициент трения возрастает, т.к. нарушаетсясплошность смазочной пленки на поверхности трения. На таких участках контактной поверхности возможно сухое трение, пока они еще не успели покрыться пленками окислов.
3. Разработаны способы нанесения толстого слоя смазки между волокой и протягиваемым металлом, при которых должно обеспечиваться жидкостное трение в очаге деформации при волочении.
4. В условиях реального процесса волочения могут наблюдаться, в той или иной степени, все указанные выше виды трения.
Зависимость коэффициента внешнего трения от рода смазки для фрикционной пары - проволока из стали марки 10 и инструментальная сталь:
Без смазки, образец с окалиной - 0,41
Без смазки, образец без окалины - 0,33
Подсолнечное масло - 0,10
Мыльный порошок (натровое мыло натуральных жирных кислот) - 0,08
Согласно мнению многих исследований, при обработке металлов давлением внешнее трение между металлом и инструментом обуслав 
ливается, главным образом, сдвигом. Сдвиг может происходить:
а) в толстом слое смазки при наличии полного экранирования поверхностей (жидкостное трение);
б) в смешанном тонком поверхностном слое протягиваемого металла и пластифицирующих его поверхностно активных веществах смазки (граничное трение);
в) в слоях подвергаемого волочению металла и волоки в случае сухого (истинно внешнего) трения в очаге деформации.
Особенности работы смазки при волочении. В последнем случае - при отсутствии смазки дополнительная деформация, возникающая на поверхности протягиваемого металла распространяется, постепенно затухая, далеко вглубь металла. На создание этой деформации может быть затрачена сила, в несколько раз большая, чем на создание основной объемной деформации - обжатия металла. Для предотвращения этого нежелательного явления необходимо так изменить граничные условия на поверхности металл - волочильный инструмент, чтобы пластическая деформация была сосредоточена лишь в тончайшем слое, обладающем более низким сопротивлением течения, чем основной металл.
При граничном трении поверхности разделены слоем смазки толщиной около 0,1 микрона. Этот слой обладает особыми свойствами, отличными от объемных свойств смазки и зависящими от природы и состояния трущихся поверхностей. У него слоистое строение.
Ближе к металлу располагаются более активные молекулы, которые, прикрепляясь своими активными концами к поверхности металла, образуют как бы "ворс" из молекул смазки. Это распространяется только на два - три слоя молекул. Дальше сила притяжения становится настолько незначительной, что частицы смазки имеют возможность свободно скользить по поверхности "ворса". Обычно механизм действия слоев смазки отождествляют с перемещением сложенных в стопу листов бумаги, скользящих относительно друг друга.
Тонкая пленка высококачественной смазки способна выдерживать огромные нормальные давления. Как показали исследования, при толщине пленки < 0,2 микрона, давление, выдерживаемое пленкой, может достигать нескольких тысяч кГ/см2. Пленка смазки является как бы чехлом, покрывающим поверхность деформируемого металла.
Роль поверхностно-активные веществ смазок для волочения. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что наиболее эффективным будет влияние смазки при введении в смазочный слой малых добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ). Помимо уменьшения внешнего трения на соприкасающихся поверхностях, поверхностно-активные вещества смазок оказывают и т.н. внутренее смазочное действие, облегчая тем самым деформацию металла.
Молекулы ПАВ проникают в дефектные области кристаллической структуры металла, подвергаемого волочению: в блоки, зерна, дислокационные ядра. При этом изменяется подвижность этих дефектов, что приводит к своеобразному размягчению поверхностного слоя металла и, следовательно, к облегчению пластической деформации при волочении.
Поверхностно активными веществами являются органические кислоты и их соединения (например, мыло). Так, при добавлении ПАВ - олеиновой кислоты к неактивному вазелиновому маслу предел текучести олова снизился более, чем в два раза.
Наиболее эффективное действие при деформации оказывают ПАВ, взятые в весьма малых концентрациях. Это объясняется тем, что при увеличении концентрации молекулы ПАВ образуют друг с другом комплексы, в результате чего возникают условия, при которых слой ПАВ не в состоянии проникнуть в микродефектные области. Глубина проникновения молекул ПАВ в монокристалл составляет 0,1 мм.
В последние годы все более актуальной становится проблема высокоскоростного волочения стальной проволоки (до 2500-4000 м/мин). В этих условиях обычная граничная смазка не может обеспечить нормальный процесс волочения из-за резкого повышения t в очаге деформации и нарушений сплошности тонкого молекулярного слоя между поверхностями проволоки и рабочего канала волоки.
Протяжку проволоки при высоких скоростях можно успешно осуществить в условиях жидкостного трения при работе смазки под большим давлением.
Требования, предъявляемые к смазке
I. Смазка должна равномерно и непрерывно смачивать трущиеся поверхности протягиваемого металла и волоки и прочно прилипать к ним. Пленка смазки должна быть механически прочной, выдерживать, не разрываясь, значительные давления. Пленка смазки при многократном волочении должна прочно, без разрывов, сохраняться на поверхности металла в течение ряда последовательных переходов.
2. При применении смазки должно максимально снижаться внешнее трение, и как следствие - уменьшаться сила волочения, а также должны быть облегчены условия пластической деформации металла при протяжке.
3. Смазка должна легко проникать во входную часть волоки, не создавая пробок (спекшихся комков), мешающих поступлению новых порций смазки.
4. Смазка должна быть устойчивой, т.е. не расслаиваться, не изменять резко свои физико-химические свойства при повышенных температурах и давлении в канале волоки, а также при хранении ее.
5. Смазка должна легко наноситься и смачивать поверхность металла и волочильного инструмента.
6. Смазка должна обладать высокими теплофизическими параметрами теплопроводностью и теплоемкостью и предотвращать сильный разогрев волоки при протяжке.
В частности, от жидких смазок требуются высокие охлаждающие свойства.
7. Смазка не должна вызывать коррозии протягиваемого металла и волочильного оборудования и должна предохранять металл от коррозии между отдельными стадиями его обработки.
8. Смазка не должна давать значительного или трудно удаляемого осадка на поверхности металла после термической обработки, а также оказывать вредного влияния на свойства термически обрабатываемого металла.
9. В смазке не должно содержаться веществ, отравляющих воздух или вредно влияющих на кожу.
10. Смазка не должна быть огнеопасной.
11. Ее нужно изготовлять из недефицитных и недорогих материалов.
В ряде случаев требования определяются конкретными особенностями процесса волочения, например, смазка не должна мешать процессу сварки (сварочный проволоки), бетонированию (арматурной проволоки), сцеплению с резиной (шинной проволоки) и т.д.
На практике смазку выбирают в зависимости от состава, конфигурации, свойств протягиваемого металла, свойств и состава волочильного инструмента, а также с учетом особенностей процесса волочения (скорости, температуры, способа волочения - однократное, многократное, с противонатяжением, обжатия и др.).
Требования к смазке должны быть тем выше, чем выше требования к качеству поверхности стали, чем тоньше сечение, сложнее профиль изделия, выше удельное давление, скорость и больше кратность волочения.
Таким образом, для волочения сталей нельзя рекомендовать одну универсальную смазку; необходимо подбирать смазку в каждом отдельном случае, учитывая все специфические условия волочения.
Смазки для сухого волочения. Наиболее распространенной смазкой при волочении стальной проволоки является сухой мыльный порошок, применяемый при однократном и многократном волочении без скольжения. Установлено, что средние частицы мыльного порошка Æ 0,37-0,83 мм обеспечивают больший захват мыла проволокой, чем крупные (Æ 0,84 -1,65 мм) и мелкие (Æ < 0,37 мм).
Состав мыльного порошка и добавок также оказывает влияние на процесс волочения. При добавке 2% MoS2 (дисульфид молибдена) к натровому мыльному порошку сила волочения с повышением температуры от комнатной до 200°С, снижается.
Оптимальное содержание дисульфида молибдена в смазке должно возрастать с увеличением диаметра проволоки: I мм –2% MoS2, 3 мм – 5% MoS2, 6 мм - 7%MoS2.
Мыльный порошок, предназначенный для сухого волочения, должен содержать минимальное количество влаги.
При влажности 1,5-2% порошок легко слипается в комки и для волочения непригоден. После тщательной сушки содержание воды в порошке падает до 0,3-0,4%. Такой порошок при добавлении к нему «старого» порошка (уже использованного при волочении) хорошо захватывается проволокой.
Смазки для мокрого волочения. Волочение с жидкими смазками (мокрое волочение) часто применяют при многократном волочении со скольжением стальной проволоки (обычно тончайшей и наитончайшей) и при т.н. калибровке поверхности светлотянутой проволоки (игольной, часовой и др.).
При мокром волочении в качестве смазки применяют главным образом мягкие мыла: натровые и калиевые.
Мокрое волочение особенно эффективно при использовании алмазных волок.
При волочении с жидкими смазками стальной углеродистой проволоки в волоках из твердых сплавов, как правило, применяют водные эмульсии минерального масла и мыла. В качестве мыл используют готовую мыльную стружку натрового мыла. Обычно в жидких смазках содержатся 1 - 3% мыла, 1% - масла, остальное - вода.
Основные затруднения при работе с жидкими смазками связаны с изменением их состава и ухудшением качества вследствие недостаточной химической стойкости некоторых компонентов, расслоением готовой эмульсии (например, с выделением масла из эмульсии), значительным пенообразованием (наблюдаемым главным образом при недостаточном времени варки концентрата эмульсии и малом количестве минерального масла) и загрязнением ванны мелкой металлической пылью и шламом.
Улучшить качество жидкой смазки можно систематической тщательной фильтрацией эмульсии, точной дозировкой, контролем и корректировкой состава ее компонентов.
В присутствии дисульфида молибдена MoS2 качество жидких смазок при волочении улучшается. Оптимальное его содержание при мокром волочении стальной проволоки Æ £ I мм находится в пределах 0,03 - 0,05% по массе.
На многих заводах температуру жидких смазок в процессе волочения не регламентируют. Однако лабораторные исследования свидетельствуют о существенном значении этого фактора: при повышении температуры мыльной эмульсии в интервале 20-80°С сила волочения канатной проволоки снижается.
Смазки для волочения высоколегированной проволоки из высоколегированных сталей. Мыльный порошок не дает удовлетворительных результатов при протяжке проволоки из нержавеющей стали и ряда других высоколегированных сталей и сплавов. В этом случае частицы протягиваемого металла быстро налипают на стенки канала волоки, а на поверхности проволоки появляются многочисленные глубокие продольные риски.
Сухое волочение этих сталей возможно, применив высококачественные механические активные разъединители. Ранее применяли графит, который наносили непосредственно на окисленную поверхность проволоки - окалину. В дальнейшем начали применять металлические смазки на свинцовой и цинковой основах. Эти смазки наносили на предварительно очищенную от окалины поверхность проволоки. Недостатками свинцовой смазки являются:
1. Потребность в специальных условиях для освинцовывания проволоки.
2. Вредность работы со свинцом.
3. Трудность нанесения прочного слоя свинца и необходимость его удаления перед термической обработкой.
В настоящее время при производстве проволоки из нержавеющей стали применяют специальные смазки: мыльный порошок в смеси с механическими (поваренная соль + клей + известь) разъединителями.
Добавка к мыльному порошку дисульфида молибдена дает также весьма положительный эффект как при холодном, так и при горячем волочении высоколегированной проволоки.
Способы нанесения смазки на поверхность протягиваемого метала. При сухом волочении сухую или консистентную смазку обычно наносят на металл при его прохождении через специальное приспособление "мыльницу", устанавливаемое перед волокой и заполненное смазкой.
При мокром волочении слой смазки наносят на поверхность металла:
1. Погружением металла целиком в сосуд с жидкой смазкой перед волокой. Например, при калибровке проволоки на станах однократного волочения ее опускают в кадку с жидкой смазкой.
2. Прохождением металла через волоки, находящиеся в жидкости - при волочении на станах многократного волочения со скольжением.
3. Непосредственно перед входом металла в волоку. В этом случае жидкую смазку наносят на поверхность металла под давлением сжатого воздуха или с помощью насоса.
Для нанесения непрерывного толстого смазочного слоя на проволоку разработан ряд устройств, обеспечивающих условия жидкостного трения. Все они имеют один общий недостаток - необходимость создавать большие давления смазки перед входом и в очаге деформации: порядка 40 кГ/мм2. Преимущество - увеличение срока службы волок от 2 до 20 раз.