Виды износа и разрушения волок

Успех операции волочения определяется множеством факторов. Очень часто эти факторы и их реальное влияние не могут быть непосредственно измерены, что оставляет контроль и совершенствование процесса открытым для множества догадок. Цель этой статьи сократить количество догадок (предположений) путем анализа дефектов, остающихся в волоках после использования. Анализ путей износа и разрушения волок может быть очень полезным, так как каждый из факторов - материал проволоки, материал волоки, смазка и т.д. может вызывать износ и разрушение волок своим особенным образом. Однако необходимо отметить, что причинно - следственная связь не всегда однозначна, и некоторые "улики" в волоках могут быть обманчивыми. Также несколько факторов могут работать одновременно, взаимно усиливая действие друг друга, и т.о. приводят к путанице. Более того влияние одного фактора может перекрывать влияние других факторов, и часто уменьшение одной проблемы может усугубить или стать причиной возникновения другой проблемы. В результате, многие явления, которые мы наблюдаем в волоках, дают лишь направление дальнейших исследований, а не конкретное доказательство.

Наиболее встречающимися типами износа являются:

• образование трещин;
• абразивный износ;
• притирочный износ (иногда называемый выносом частиц);
• коррозионный износ;
• заедание и образование мелкой фракции.

Образование трещин

Иногда путают трещины и царапины. Царапины обычно прямые и часто не проходят через всю волоку. Кроме того, они имеют дно и их концы резко прерываются. Трещины обычно идут к какому либо краю волоки, имеют зубчатость границ, и часто имеют мелкие сколы вдоль краев. В случае, когда трещина заканчивается в пределах волоки, концы сходят на нет.

Волоки для волочениясделаны из очень хрупких материалов. Это значит, что они склонны к растрескиванию под действием термических или механических ударов. Механический стресс воздействует в направлении волочения и поэтому провоцирует трещины лишь определенного типа. Однако тепловой удар менее определим, поэтому он может вызывать разрушения (трещины) различных типов. Трещины, вызываемые перегревом, могут быть случайны как по размеру, так и по направлению, и обычно их множество, вместо одной - двух. Такие трещины становятся концентраторами напряжений, и тогда механические силы вызывают быстрый рост (развитие) трещин. Любое разрушение может быть инициировано или усугублено тепловым ударом, даже когда он по форме напоминает дефект, вызванный механическими проблемами.

Продольные трещины проходят через всю волоку. Если хоть одна такая трещина обнаружена, то наличие, по меньшей мере, еще одной трещины можно предположить. Такие трещины возникают, когда сила, требуемая для деформации проволоки, больше, чем прочность материала волоки и ее оправы, а также с ростом величины единичного обжатия. В некоторых серьезных случаях перепроектирование волоки или изменение величины обжатия может потребоваться. В дополнении к прочности материала волоки, прочность оправы становится очень важной характеристикой в противостоянии данному виду разрушений. Правильная оправа делает больше, чем просто поддерживает вставку волоки. Она фактически помещает вставку волоки под предварительную сжимающую нагрузку, противоположно направленную силе воздействия проволоки, подвергающейся волочению. Разрушение от растяжения начинается с кольцевой трещины, которая вероятнее всего зарождается на дне кольца износа. В действительности такие трещины трудноопределимы на ранней стадии развития из-за маскирующего эффекта кольца износа. Если такая трещина возникла, она развивается до полного разрушения волоки.

Разрушения при растяжении происходят, когда волока остается в стане слишком долго или, вероятно, через волоку проходит грубый сварной шов или включение. Чаще всего, они начинаются с кольца износа, которое становится слишком глубоким, и вызывает концентрацию напряжений. Некоторые материалы, из которых изготавливаются волоки, имеют большую сопротивляемость такому некорректному обращению, но обычно эта проблема не относится к фактору выбора материала волоки - она является сигналом для улучшения контроля процесса волочения. Большую часть разрушений при растяжении можно избежать соблюдая нормальные условия эксплуатации волок.

Разрушение при сдвиге подобно разрушению при растяжении, но имеет форму конуса. Его иногда называют вырванная задняя часть. Данный Вид разрушения происходит, обычно, из-за плохих условий волочения. Выкрашивание выходной зоны волоки отличается от приведенных выше примеров тем, что этот дефект локализуется на пересечении цилиндрической части волоки и выходной зоны.

Выкрашивание выходной зоны иногда вызывается включениями или сварными швами на проволоке. Оно также может быть вызвано неправильной формой распушки. Острый угол со стороны выходной распушки представляет собой слабый участок и легко скрашивается. Волоку с разрушениями такого типа можно восстановить (перешлифовать), если проблема обнаруживается достаточно быстро.

Абразивный износ

В основном, неровности на поверхности одной детали удаляют материал с поверхности второй детали, если эти две детали находятся в скользящем контакте. Насколько быстрее одна часть вызывает износ второй части, зависит от соотношения энергии. Таким образом, несмотря на то, что материал волоки намного тверже проволоки, подвергающейся волочению, волока, тем не менее, будет изнашиваться в процессе волочения проволоки. Абразивный износ, в отличие от других видов износа и разрушения, должен считаться обычным и неизбежным. Однако, его можно снизить до минимума, уделяя больше внимания условиям волочения. Абразивный износ волоки можно определить по царапинам, которые тянутся по всей длине рабочей зоны волоки в направлении волочения проволоки. Если появление таких царапин вызвано обычным износом, они могут быть очень маленькими и незаметными, увидеть их можно только при большом увеличении. Фактически, поверхность будет казаться отполированной, хотя и несколько неправильной формы, если рассматривать ее при небольшом увеличении. Однако, царапины, вызванные загрязнением смазки или дефектами поверхности проволоки, обычно бывают более крупного размера и их легко можно увидеть. Поэтому, если бороздки в волоке можно рассмотреть в оптический микроскоп при увеличении 30 - 60Х, необходимо проверить качество смазки и поверхность проволоки - заготовки. Не все бороздки в волоке вызваны абразивным износом. Вынос частиц или некоторые дефекты материала волоки могут привести к образованию бороздки, которая распространяется от этого дефекта через всю оставшуюся часть волоки. Ключом к этому является то, что такие бороздки обычно более скругленные, и часто начинаются ниже зоны контакта, а не в зоне контакта.

Еще одна причина возникновения бороздок связана с перегревом волоки. Такой перегрев часто возникает, когда волока работает в режиме недостаточной смазки, что, в свою очередь, происходит из-за того, что волока забивается маленькими частичками. Такие бороздки обычно достаточно велики и многочисленны. Это приводит к быстрому разрушению волоки. И снова, это не является нормальным абразивным износом. Многие оксиды металлов обладают абразивными свойствами. Поэтому грязная смазка, окисленная проволока или включения на поверхности проволоки могут очень значительно увеличить абразивный износ и, таким образом, сократить срок службы волоки. Поскольку истирание происходит, когда детали вступают в контакт друг с другом, на него может оказать существенное влияние прочность смазочной пленки и ее взаимодействие с этими поверхностями. Это значит, что правильный выбор смазки и правильная эксплуатация ее, играют исключительно важную роль в снижении абразивного износа. Кроме того, необходимо вводить смазку во входную зону волоки так, чтобы проволока могла захватить как можно больше смазки в рабочую зону.

Приработочный (притирочный) износ

Приработочный износ, в случае использования поликристаллических алмазных волок относится к удалению частиц. Основное отличие от абразивного износа заключается в том, что удаляемый материал представляет собой определенные частицы, которые определяются структурой материала волоки. При абразивном износе размер удаляемых частиц определяется состоянием поверхности. Приработочный износ иногда имеет такой же механизм как истирание, поскольку между проволокой и выносимыми частицами может существовать связь.

Вынос частиц из поликристаллической алмазной волоки легко определить визуально, так как в таком случае имеются глубокие ямки, которые имеют примерно такой же размер, как частицы в данной волоке-заготовке. Однако, в тех случаях, когда волока оставалась в стане слишком долго, она разрушалась до такой степени, что отдельные раковинки скрывались под общим разрушением. Самое худшее в процессе выкрашивания частиц - это то, что раковинки образуют точки напряжения, которые провоцируют выпадение дополнительных частиц. В таких случаях имеется тенденция к образованию более крупных бороздок, что может привести к разрушению волоки.

В случае приработочного износа в материале волоки с частичками очень маленького размера, таких как карбид вольфрама или поликристаллический алмаз с ультра-мелким зерном, отдельные раковинки могут быть не видны в оптический микроскоп. Однако можно заметить общий матовый вид. 

Материал проволоки, материал волоки и смазка - все играют важную роль в этом виде повреждений. Материал проволоки с материалом волоки обеспечат силы, которые необходимы для перемещения отдельных частиц. Смазка может противодействовать таким силам и защищать от истирания. Важную роль играет температура в районе рабочей зоны поликристаллической волоки или волоки из карбида вольфрама, так как это может привести к дополнительным внутренним напряжениям, которые разрушают связь между частицами. Большая часть поликристаллических волок также имеет катализатор, который помогает алмазным частицам сцепляться друг с другом. Этот же катализатор помогает обратной реакции, так что связь между алмазными частицами ухудшается при высокой температуре.

Легко спутать приработочный износ с абразивным износом, поскольку в результате поверхность имеет подобный вид во многих материалах, используемых для производства волок. Однако важно различать эти два вида износа, чтобы можно было принять правильные меры. Например, поликристаллические алмазные волоки с ультра-мелким зерном имеют хорошую износостойкость при волочении очень твердых материалов, таких как шинный корд, но их стойкость очень плоха при волочении очень мягких материалов, таких как медь. Причина в том, что сопротивление абразивному износу вполне хорошее, а сопротивление поликристаллических алмазов с ультра-мелким зерном приработочному износу очень плохое. Истирание является доминирующим фактором при волочении твердых материалов, в то время как притирка является доминирующим фактором при волочении мягких материалов. Зная это, вы сможете правильно выбрать материал волоки для волочения данного материала. Незнание этой особенности может привести к выбору материала волоки, основываясь на чьем-либо опыте работы с другим материалом и при других условиях волочения.

Коррозионный износ

Коррозионный износ трудно понять без знания химии. В простом изложении, он происходит, когда атомы одной части соединяются химическим путем с атомами другой части, находящейся с ней в контакте, и возникает новое химическое соединение, которое затем отделяется от одной или обеих частей. Коррозионный износ, в основном, определяется химическим взаимодействием материала проволоки и материала волоки. Кроме того, поскольку это химический процесс, на него могут оказывать воздействие материалы, находящиеся в смазке, будь то присадки или твердые частицы. 

Коррозионный износ в волоках выглядит как гладкая, но несколько неравномерная поверхность. Коррозионный износ имеет тенденцию быть быстрым и непредсказуемым.

В монокристаллических материалах, таких как природные алмазы, коррозионный износ происходит, скорее всего, в кристаллической решетке. В результате, рабочий конус и цилиндр, в поперечном сечении могут принять форму многоугольника, а не круга. В менее сложных ситуациях рабочий конус может принять форму цветка. Абразивный износ также имеет место в монокристаллических алмазах, но результат не так явно выражен.

В поликристаллических материалах коррозионный износ трудно отличить от абразивного износа визуально, поскольку там могут присутствовать оба вида износа. Однако имеется несколько визуальных подсказок. В поликристаллическом алмазе обычный абразивный износ почти сразу же образует кольцо износа при незначительном износе в остальной части рабочей зоны. Затем, поскольку абразивный износ продолжается, это кольцо износа увеличивается в сторону цилиндра. При коррозионном износе вся поверхность быстро изнашивается при незначительном кольце износа.

Материалы алмазных волок чаще всего корродируются материалами, образующими стойкие карбиды, например, железом, никелем и вольфрамом. Коррозионное воздействие усиливается сильными окислителями, такими как нитраты, находящимися в воде и в смазке. Частицы карбида вольфрама редко подвергаются химическому воздействию. Но связующий кобальт склонен к коррозионному воздействию со стороны химикатов, находящихся в смазке. Эти химикаты включают хлор, фтор, серу и нитраты. Действуют или нет эти химические элементы на кобальт, зависит от их химической формулы. Часто они составляют часть сложного вещества, которое не вступает в реакцию с кобальтом. Температура в рабочей зоне играет важную роль, потому что большая часть коррозионных процессов в волочении проволоки ускоряется, как только они перешли определенный пороговый уровень температуры.

Фретинг-коррозия (истирание, заедание)

Фреттинг-коррозия - это сваривание двух материалов, находящихся в скользящем контакте друг с другом. При волочении проволоки она проявляется в двух формах в зависимости от того, на что оказывается воздействие: на проволоку или на волоку. Фретинг-коррозия на волоке, которая также известна как адгезионный износ. В отличие от коррозионного износа в этом случае не образуется никаких новых соединений, хотя в этот процесс вовлечены некоторые силы на атомном уровне. Имеет место что-то вроде механической связи или сваривания, что обеспечивает захват частиц материала с поверхности волоки. Поведение комбинации материала проволоки и материала волоки, в данном случае, имеет большое значение, но также большую роль играет состояние смазки и температура. 

При фреттинг-коррозии поверхность волоки часто имеет произвольный рисунок износа. На поверхности имеются небольшие, мелкие, неравномерные раковинки, которые иногда выглядят как снежинки, хотя для того, чтобы увидеть их может потребоваться большое увеличение.
Фреттинг-коррозия имеет отношение к перемещению материала с поверхности проволоки, а не с поверхности волоки. Материал проволоки приваривается к поверхности волоки. Кроме всего прочего, фреттинг-коррозия значительно увеличивает трение. Навариваемым материалом могут также быть мелкие металлические частицы, которые ранее были удалены с проволоки, а также частицы материала этой же проволоки, перемещенные по поверхности. Как и в предыдущем случае, главную роль здесь играют материал проволоки, материал волоки и смазка, а также - температура. Фретинг-коррозия легче определима на поверхности проволоки, чем на поверхности волоки. Поверхность проволоки с типичной фреттинг-коррозией будет иметь неравномерные бороздки, которые иногда имеют конусообразную форму и завершаются кусочками материала проволоки, которые навариваются на поверхность. Также часто присутствуют так называемые следы вибрации. Эти следы вибрации являются результатом циклического частичного приваривания проволоки к материалу с задирами и последующего разрыва связи. Некоторые из таких отметин оказываются надрывами поверхности и бывают достаточно глубокими.

Измельченные частицы

Это не дефект волоки как таковой, но тенденцию некоторых материалов для волок к образованию мелких частиц нужно принимать во внимание.

Во-первых, эти мелкие частицы могут забивать волоку, что приводит к ухудшению поверхности проволоки и ограничению подачи смазки, что увеличивает трение, ускоряет износ и т.д.

Во-вторых, попадание мелких частиц в смазку образует источник легко привариваемого материала, что увеличивает фреттинг-коррозию.

В-третьих, мелкие частицы легко окисляются, особенно если они вступают в контакт с воздухом перед попаданием в смазку. Оксиды алюминия и меди являются особенно абразивными материалами, они укорачивают срок службы волоки и, что весьма вероятно, срок эксплуатации других деталей волочильного стана.

Четверым видом воздействия мелких частиц является изменение химических свойств смазки. Большинство видов смазки в некоторой степени реагирует с проволокой, чтобы «прилипнуть» к поверхности проволоки. Однако, площадь поверхности настолько мала, что данная реакция, как правило, не имеет существенного значения. Но с добавлением мелких частиц буквально километры поверхности могут подвергнуться воздействию, таким образом, эта реакция приобретет большое значение. Одним из очевидных результатов станет появление мыла или осадка, которые могут оказать механическое воздействие на процесс волочения. Менее очевидным может быть тот факт, что в результате некоторых из этих реакций из смазки могут удаляться полезные присадки, или же они могут стать менее полезными. В некоторых случаях, особенно это касается меди, мелкие металлические частицы могут действовать как катализатор, способствующий нестабильности химического состава смазки. Очень часто эти неуловимые химические изменения проходят незаметно. Тот факт, что что-то не работает как обычно, может быть отмечен, но причина этого остается непонятной.

Обстановка еще более ухудшается, когда образующиеся мелкие частицы чрезвычайно малы. Чем меньше частица, тем труднее она улавливается. С уменьшением размера частиц быстро увеличиваются проблемы фильтрации. Один исследователь утверждает, что размер частиц, образуемых некоторыми материалами волок, настолько мал, что они меньше некоторых молекул смазки, и фильтрация без разрушения смазки становится невозможной.

Влияние условий волочения

Многие дефекты волок могут быть вызваны или, по крайней мере, спровоцированы условиями волочения. Некоторые материалы волок более других чувствительны к плохим условиям волочения. Но в определенной степени влияние оказывается на все волоки. Правильным будет утверждение, что условия, которые вредны для волок, также оказывают негативное воздействие на качество производимой проволоки.

Несоосность вызовет концентрацию напряжения и в проволоке, и в волоке. Со временем вибрация вызовет очень высокие пики напряжения в проволоке и в волоке. Поскольку оба эти условия вызывают увеличение напряжения в той или иной мере, они вызовут увеличение износа, образование мелких частиц и тенденцию появления фреттинг-коррозии. Можно судить о несоосности по износу волоки, на которой появляется кольцо износа, которое шире или с одной стороны больше удалено от цилиндра. Такой вид износа можно видеть на большом проценте изношенных волок, что будет указывать на то, что смещение является распространенной проблемой.

Вибрация часто вызывает появление кольца износа, которое в двух противоположных зонах будет шире, чем среднее кольцо, хотя избирательный износ в монокристаллическом материале может вызвать такой же рисунок. Простое наблюдение за волочильными станами показывает, что вибрация является широко распространенной проблемой.

Электрические токи могут быть вызваны плохой шлифовкой или просто возбуждаться магнитными полями в этой зоне. Поскольку смазки на основе воды являются электролитами, они могут проводить эти токи, увеличивая коррозионный износ. Они могут вызвать или усилить плакирование металлов, находящихся в смазке, на детали стана или, обратный случай, когда металлы деталей стана растворяются в смазке. В обоих случаях, воздействию будет подвергаться химический состав смазки. Примите к сведению, что данная разность потенциалов не достаточна для того, чтобы вызвать появление искры или вызвать шок у человека, прикасающегося к проволоке или стану. Она лишь достаточна для возникновения тока малой величины. Около двух вольт, не более.

Плохое состояние смазки естественно вызовет увеличение трения, абразивный износ, (фреттинг-коррозию) задирание поверхности и вынос частиц. Кроме того, требующееся усилие волочения и возникающий при этом нагрев усилят и вызовут дальнейшее ухудшение волок. Понятие «плохое состояние смазки» заключает в себе больше, чем просто химическое состояние смазки. При этом необходимо учитывать то, как смазка вводится в волоку, забита волока или нет, наличие загрязняющих веществ на поверхности проволоки, которые мешают смазке надлежащим образом увлажнять проволоку.