Разделительное действие СОТС в процессах ковки и горячей штамповки

Важнейшим функциональным качеством смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), используемых в процессах ковки и горячей штамповки, является их способность оказывать разделительное действие, которое проявляется в предотвращении схватывания между инструментом и поковкой. Благодаря этому облегчается извлечение поковки из матрицы и снижается эрозионный износ штамповкой оснастки. С разделительной способностью СОТС тесно связаны их смазочные и теплоизоляционные свойства. Поэтому представляется важным развить и обобщить современные представления о влиянии базовой основы и присадок СОТС на их разделительную способность.

Показано, что СОТС проявляют разделительную способность вследствие образования невыдавливаемых и несжимаемых тонких и субтонких смазочных слоев в зоне граничного фрикционного контакта штампа и поковки. Практическую значимость представляют три способа формирования разделительного граничного слоя: хемосорбция; осаждение твердых компонентов СОТС из жидкой фазы; пиролиз СОТС с образованием на границах раздела твердых и газообразных фаз.

Под хемосорбцией подразумевают процесс образования новых соединений на поверхности металла в результатах химического взаимодействия поверхности трения с компонентами смазочного вещества. Хемосорбция очень избирательный процесс, протекающий при химическом сродстве атомов металла и молекул жидкой смазочной среды. Поверхности технических сталей и сплавов активно вступают в реакцию с соединениями хлора, серы и фосфора, если таковые содержатся в смазочном материале, с образованием на границе раздела новых твердых фаз – хлоридов, сульфидов. СОТС, легированные химически-активными присадками, широко используются для смягчения режимов трения и износа в металлообработке. Базовой основой является, как правило, минеральное масло или летучие углеводороды. СОТС на масляной основе с химически-активными соединениями хлора, серы или фосфора показали высокую эффективность в процессах холодной объемной штамповки и в некоторых случаях листовой штамповки. Практика показала, что при горячей пластической деформации химически-активные СОТС малоэффективны. Высокие локальные напряжения и температуры приводят к деструкции поверхностных соединений, образовавшихся в результате хемо-сорбции. Кроме того, скорость деформирования в процессах ковки может быть значительно выше скорости хемосорбции. Отметим, что фирменные СОТС на основе хлорсеро-фосфорсодержащих присадок обладают неудовлетворительными эксплуатационными свойствами, способствуют коррозии оборудования, обладают неприятным запахом.

Осаждение твердых компонентов, распределенных в СОТС, на деформируемой поверхности трения широко используется в практике обработки металлов давлением. В качестве твердых компонентов применяют вещества с ламеллярной структурой (графит, дисульфид молибдена), порошки легкоплавких металлов, определенные полимеры. Исходная СОТС представляет собой водную суспензию, в которой распределены пленкообразующие вещества, находящиеся в мелкодисперсном и даже в коллоидном состоянии. СОТС напыляется на поверхность матрицы непосредственно перед операцией или наносится смачиванием. После испарения водной основы на поверхности матрицы остается твердосмазочное покрытие толщиной до 100 мкм, которое обладает разделительной и антифрикционной способностью. В отечественной практике наибольшее распространение получили водные дисперсии коллоидного графита, за рубежом – дисульфида молибдена. Нефтехимическая индустрия выпускает десятки фирменных СОТС на водно-графитовой основе для горячей штамповки сталей и цветных металлов. Однако использование этих СОТС сопряжено с рядом трудностей. Водно-графитовые суспензии, несмотря на малую дисперсность графита или металлических порошков, нестабильны. Твердые частицы оседают в емкости и слипаются в агломераты, что снижает качество покрытия. Графит, содержащийся в СОТС, сильно загрязняет рабочее место, что вызывает нарекания производственников. Нужно также иметь в виду, что графит-стратегическое сырье и его запасы ограничены.

В качестве альтернативы водно-графитовым суспензиям в Новгородском государственном университете изучаются и разрабатываются водо-масляные эмульсии, в масляную фазу которых включен как коллоидный графит (или дисульфид молибдена), так и химически активные вещества, в качестве которых выбраны органические соединения серы или фосфора. Благодаря этому водо-масляные эмульсии, которые ранее использовались в основном при холодной прокатке металлов, стали эффективными СОТС в процессах горячего деформирования.

Разделяющий слой на границе инструмент-поковка состоит в этом случае из двух твердых фаз. Нижняя фаза – хемосор-бированный подслой из фосфатов или сульфидов металла, верхняя фаза – подслой из классического смазочного продукта – графита (или дисульфида молибдена), испытания подтвердили высокую эффективность водомасляных эмульсий при горячей штамповке углеродистых сталей и алюминиевых сплавов.

Третий способ формирования разделительно - смазочных слоев между поковкой и инструментом основан на способности некоторых жидких сред выгорать под действием высоких температур и напряжений. В процессе выгорания (пиролиза) на поверхности раздела формируется твердофазный пленочный продукт. Одновременно образуется газовая фаза, которая, находясь во впадинах микрошероховатостей поверхности и в микротрещинах, способна оказывать демпфирующее - разделяющее действие. Исследования показали, что активному пиролизу с образованием однородных и прочных твердых разделительных слоев подвержены многие вещества органического происхождения. Именно пиролитическим разложением с образованием твердофазных граничных слоев можно объяснить многократно описанную эффективность в качестве СОТС для горячей штамповки отходов целлюлозно-бумажной промышленности – лигносультфонатов. В качестве пиролитически - активных веществ нами выделены продукты лесопереработки, органические смолы, биополимеры. В Новгородском государственном университете разработана серия новых СОТС на основе легких минеральных масел (велосит, трансформаторное масло) и полисахаридов, обеспечивающих образование в зоне трения и деформации эффективные твердые слои, обладающие разделительно – смазочной способностью при самых тяжелых режимах ковки и горячей штамповки. Роль газовой фазы до конца не выяснена, но можно предположить, что микропузырьковое кипение, сопровождающее выход газов, также оказывает положительное влияние на трибологическую ситуацию в зоне контакта. Новый класс СОТС экологически безвреден, экономичен. Вполне возможна интеграция пиролитически – активных СОТС с мелкодисперсными твердосмазочными веществами.

В соответствии с общепринятой трехуровневой моделью зоны фрикционного контакта (макроуровень, мезоуровень и микроуровень) можно предположить, что оптимальное СОТС должно содержать комплекс добавок, позволяющих формировать разделительно – экранирующие слои на каждом уровне. Продукты пиролиза формируют разделительные слои на макро- и ме-зоуровнях, химически – активные присадки – на мезоуровне. Твердые мелкодисперсные частицы в зависимости от степени дисперсности на мезо- и макроуровнях. Преимущественно на микроуровне могут формироваться разделительно – экранирующие пленки из наноматериалов (фуллереновая сажа, фуллереновая чернь), предварительно введенные в смазочный материал. Базовая основа СОТС (минеральные или синтетические масла) обеспечивает транспортировку активных агентов в зону контакта. При высоких скоростях деформации могут развиться реологические эффекты, при которых изначально жидкая пленка масляной основы будет вести себя как квазетвердое тело (например, тело Максвелла) и формировать динамический разделительный слой, существующий только в процессе пластической деформации.

Комбинируя для конкретной технологической ситуации состав базовой масляной основы и различные добавки можно разработать оптимальную рецептуру СОТС, обеспечивающего эффективное разделение взаимодействующих контактных поверхностей штампа и заготовки.

Можно полагать, что в технических регламентах на СОТС нужно нормировать не только трибологические показатели (коэффициент трения, износостойкость и др.), но и их разделительную активность.

На разделительную активность СОТС влияет также способ их введения в рабочую зону штамповки. Изучение этого фактора требует проведения дополнительных исследований. Вышеприведенные сведения относятся к нанесению СОТС способом контактного смачивания.