Роль смазки в обработке металлов: трибологический подход

Роль смазки в процессах обработки металлов давлением

Для понимания роли смазки необходимо обратиться к трибологии. Трибология включает граничное трение, присущее практически всем операциям обработки металлов. Оно возникает при относительном движении двух смежных поверхностей под давлением. В процессах проката относительное движение между валами и заготовкой улучшается за счет разности периферийных скоростей валов.

Трение

Трение играет ключевую роль. Оно определяется как сопротивление относительному движению двух тел в контакте. Это диссипативный процесс, повышающий температуру на границе раздела; при чрезмерных значениях приводит к повреждению поверхности. Трение также влияет на деформацию металла. По ранним теориям трение — результат зацепления двух шероховатых поверхностей. На самом деле на него влияют множество факторов: нагрузка, скорость, температура, материалы пары трения, воздействие сред (жидкостей, газов) на границе.

Наиболее признанная теория основана на адгезии (сцеплении) микровыступов (асперитисов) соприкасающихся тел. Как бы гладки ни были поверхности, они контактируют лишь на малой части видимой площади. Нагрузку воспринимают единичные контакты микровыступов, где нормальные напряжения крайне высоки. При малых нагрузках деформация упругая. При нагрузках, типичных для обработки металлов, возникает пластическая деформация и адгезивная связь (микросварки).

Природа и прочность адгезивной связи зависят от: (i) взаимной растворимости и диффузии поверхностей; (ii) температуры и времени контакта; (iii) оксидных пленок и загрязнений; (iv) наличия смазочной пленки.

На чистых свежих поверхностях (полученных при резании или большой деформации) и без загрязнений/смазки прочность стыков высока (холодная сварка под давлением) → высокая сдвиговая прочность → высокое трение. При введении загрязнений, смазки или формировании оксидных пленок (за секунды) адгезивная связь ослабевает → трение снижается.

Сила трения повышает температуру поверхности. Рост температуры усиливается при: (i) высокой скорости; (ii) высоком коэффициенте трения; (iii) низкой теплопроводности и удельной теплоемкости материалов. Высокая теплопроводность отводит тепло в объем заготовки. Высокая теплоемкость сдерживает нагрев. Перегрев может привести к плавлению границы, фазовым превращениям, остаточным напряжениям, металлургическому обжигу.

Износ

Износ — потеря материала с поверхности. Возможен в сухих/смазных условиях, при скольжении/качении, из-за разрушения или пластической деформации. Выделяют четыре основных типа: адгезивный, абразивный, устойчивостный (fatigue), коррозионный. В обработке металлов интересны первые три; коррозионный важен при взаимодействии валов и заготовки в присутствии жидкостей/газов — требуется правильный выбор химизма смазки.

• Адгезивный износ — результат сдвига адгезивных стыков при скольжении. При сильных связях (чистые поверхности, высокие нагрузки, длительный контакт) разрыв происходит выше или ниже интерфейса, обычно через более мягкий металл. При циклических нагрузках перенесенные частицы становятся износными. Тяжелые формы: задирание (galling), сколы (scuffing), заклинивание (seizure). Необходима химическая сродство для адгезии. Наихудший случай: чистые поверхности, высокая нагрузка, вакуум. Задача смазки — снизить склонность к сварке микровыступов: разделить поверхности пленкой или образуя низкосдвиговые соединения. Пленки (оксидные, адсорбированные газы) существенно снижают сдвиговую прочность. Оксидные пленки важны: баланс между скоростью их разрушения и образования определяет износ.
• Абразивный износ — удаление материала царапинанием, образованием щепок. Чем мягче материал, тем выше износ. Рост нагрузки ускоряет износ. Двухтелесный (прямой контакт) и трехтелесный (между поверхностями зажаты износные частицы или твердые загрязнения из смазки — эрозивный износ). Важен для обработки металлов и обслуживания оборудования. Для предотвращения накопления оксидов, металлической стружки периодически проверяют, фильтруют или меняют смазку.
• Устойчивостный износ (поверхностная усталость) — результат циклической нагрузки на границе вал/заготовка. Треснуты развиваются со временем от механических сил или термических напряжений (термическая усталость). Материал удаляется сколами/ямочками (spalling/pitting) при слиянии трещин под поверхностью. Смазка играет двусмысленную роль: снижает трение и напряжения, но если трещина возникла, жидкость проникает в нее (капиллярные силы), при загрузке создает гидростатическое давление, раскалывая инструмент дальше. Покорка (pitting) в не смазанных контактах не возникает без химической атаки.

Механизмы смазки

Очевидно: трение и износ снижаются разделением скользящих поверхностей. В узлах машин (подшипники скольжения, газовые подшипники) это легко выполнимо. В обработке металлов из-за нагрузок, скоростей и геометрии контактовtool/заготовка полноценная смазочная пленка редко формируется. Смазки также охлаждают (отводят тепло трения/деформации) и смывают частицы (оксиды железа, щепки). Основная функция — смазка, термин «охлаждающая жидкость» не совсем точен. Основные режимы для проката:

• Толстослойная (гидродинамическая) смазка — поверхности полностью разделены непрерывной пленкой (толщина ~10× шероховатости). Пленка образуется гидростатически или клиновидным эффектом при скольжении вязкой жидкости. Важны объемные свойства смазки (вязкость), химические эффекты незначительны. Нагрузки малые, скорости высокие, коэф. трения 0,001–0,02. Износ отсутствует (кроме сторонних частиц). В обработке металлов встречается редко, локально (высокая вязкость, высокие скорости).
• Смешанная смазка — толщина пленки снижается (падение вязкости от нагрева, снижение скорости, рост нагрузки). Поверхности сближаются, нагрузку несут частично металл-металл контакты, частично гидродинамические карманы в шероховатостях. Толщина <3× шероховатости. Коэф. трения до ~0,4 (рост сил и мощности), износ значителен. Оптимальная шероховатость для удержания смазки ~15 мкм. Карманы служат резервуарами для питания голодных зон.
• Граничная смазка — тонкая пленка адсорбируется на поверхностях силами Ван-дер-Ваальса или химическими (хемисорбция). Типовые смазки: масла, жирные кислоты, мыла. Пленки быстро формируются на чистых поверхностях, на титане и нержавейке реактивность низка — тогда смазку наносят на инструмент. В отличие от толстослойной, важны химические свойства смазки и реактивность с металлом, вязкость второстепенна. Коэф. трения 0,1–0,4. Часто встречается в прокатке. Износ зависит от скорости разрушения пленки терением или десорбцией от перегрева. Если защитный слой разрушен — трение и износ высоки. Прочность адгезии пленки критична. Влияние давления, скорости, вязкости на толщину пленки.
• Смазка экстремальных давлений (EP) — поверхность металла химически активируется необратимыми реакциями. Сероводород, хлориды, фосфорорганические добавки образуют соли на сопряженных поверхностях, предотвращающие сварку микровыступов при высоких давлениях. Низкая сдвиговая прочность этих пленок снижает трение. При нагреве пленки могут разрушаться (температура зависит от добавки и металла). При разрушении — металл-металл контакт, рост трения/износа. Но защитные сернистые/хлороридные пленки легко восстанавливаются на свежих поверхностях. Роль воздуса, кислорода, влаги, воды существенна.
• Эластогидродинамическая (EHD) и пластогидродинамическая (PHD) смазка — деформации инструмента под нагрузкой меняют геометрию контакта, распределение давлений. Конечный модуль упругости стали вызывает достаточно большие деформации. Рост вязкости смазки под давлением способствует формированию гидродинамических пленок. PHD — расширение для процессов вроде прокатки полосы: смазка затягивается в сходящиеся зазоны вала/заготовка, образуя полноценную пленку с резким падением трения/износа. Важно для концентрированных контактов (холодная прокатка тонкой полосы), где малые изменения геометрии сильно влияют на силы и деформацию.

Роль поверхностного натяжения и смачивания

Помимо вязкости и химизма, важны поверхностное натяжение и смачивание. Смачивание — явление, связанное с поверхностной энергией. Характеристика смачивания — способность смазки растекаться непрерывной пленкой. Иногда нужно, чтобы смазка оставалась в определенной зоне (например, в часах — немигрирующая смазка для оси). Форма капли на металле определяется межфазными натяжениями металл/жидкость/воздух. Угол контакта периферии капли с поверхностью — контактный угол. Чем меньше угол, тем лучше смачивание. В ОМЖ смачивание улучшают добавками (спирты, гликоли) или повышением температуры. Также смачивание улучшается при увеличении шероховатости.

Следовательно, смазка в обработке металлов включает различные механизмы, зависящие от: (i) химизма интерфейса инструмент-смазка-заготовка; (ii) способа нанесения; (iii) геометрии процесса; (iv) механики операции. Режим смазки часто меняется в цикле из-за изменений скорости, степени деформации, давлений и напряжений.

Выбор смазок

Существует пять семейств смазок для обработки металлов. Выбор должен обеспечивать продуктивность и соответствие экологическим нормам. Типы: (i) испаряющиеся составы (vanishing oils); (ii) химические растворы (синтетические); (iii) микромульсии (полусинтетические); (iv) макромульсии (растворимые масла); (v) нефтяные смазки. Сравнение в Табл. 1.

• Испаряющиеся составы — гибкие по физическим свойствам. Смачивание и скорость высыхания регулируются (выбор носителя). Для тяжелых условий добавляют EP-присадки. Не требуют удаления с детали, часто дают долговременную коррозионную защиту. Наносятся роликовым способом или безвоздушным распылением. Не рециркулируются. Идеальны для покрашенных, оцинкованных, винильных, гальванизированных поверхностей, цветных и черных металлов.
• Химические растворы (синтетические) — быстрорастущее семейство. Экономичны, экологичны, удобны. Подходят для покрытых, оцинкованных, холоднокатаных, нержавеющих сталей. Позволяют сварку без предочистки, подходят для второстепенных операций (пробивка, отрезка, сверление, нарезание резьбы). Гомогенные смеси: водорастворимые ингибиторы коррозии, смачиватели, сложные эфиры, бициды, пеноустранители, иногда EP-добавки. Разновидности: мыльные (тяжелые условия), EP (высокопрочные сплавы), неионогенные (алюминий, покрытая сталь). Нанесение: ролик, распыл, рециркуляция.
• Микромульсии (полусинтетические) — для операций, требующих отличный смыв, охлаждение, смазку. Идеальны для оцинкованной, горяче-/холоднокатаной, нержавеющей стали. Дают прочность пленки за счет эмульгаторов, ингибиторов, смачивателей, солей, иногда EP. Дисперсная фаза 0,01–0,06 мм — полупрозрачные/прозрачные. Малые частицы → отличное проникновение и охлаждение. Нанесение: распыл, ролик, заливная система.
• Макромульсии (растворимые масла) — содержат минеральное/компонованное масло в виде капель, стабилизированных эмульгаторами. Внешне молочно-белые. Свойства близки к дисперсной фазе. Могут содержать высокие дозы EP или барьерных пленок (полимеры, жиры) для тяжелых условий. Применяются в тяжелой прокатке: профили, стеллажи, авто, мебель.
• Нефтяные смазки — широчайший выбор свойств. База — смесевое масло (разная вязкость). Добавки: жиры, полимеры, смачиватели для физ. свойств; сероводород, хлор, фосфор — для EP; ингибиторы коррозии; компоненты для облегчения мойки. Применяются селективно: косметические детали из нержавейки, тяжелые прокатываемые профили.

Рис. 1. Типы прокатных смазок

Табл. 1. Сравнение смазок для обработки металлов
№	Функция	Испаряющиеся	Химические растворы (синтетические)	Микромульсии (полусинтетические)	Макромульсии (эмульсии)	Нефтяные (масляные)
1	Снижение трения вал/заготовка	3	3	3	2	1
2	Снижение нагрева валов пластической деформацией	1	1	2	2	5
3	Снижение износа/задирания за счет химической активности	4	1	2	2	4
4	Смывная способность (предотвращение накопления грязи на валах)	1	1	2	3	4
5	Минимизация затрат на последующую обработку (сварка, покраска)	1	1	2	4	5
6	Смазка при высоких давлениях (граничные условия)	4	3	3	2	1
7	Создание подушки между заготовкой и валом (снижение адгезии и задирания)	4	4	3	2	1
8	Непятнющие свойства (защита финишной поверхности)	1	1	2	3	5
9	Минимизация экологических проблем (воздух, утилизация)	4	1	2	3	5
Примечание: 1 — наиболее эффективно, 5 — наименее эффективно.

Присадки к смазкам

Свойства модифицируются присадками: улучшают смазку, защищают металл, выполняют иные функции. Ингибиторы коррозии — нитраты/фосфаты. EP-добавки — соединения серы, хлора, фосфора: снижают холодную сварку под давлением, предотвращают «нарастание» металла, но могут ухудшать смазку. Эфиры, животные жиры, жирные кислоты снижают поверхностное натяжение, улучшают смачивание. Синтетические смазки модифицируют фосфорорганическими соединениями как моющие добавки. Сниженное поверхностное натяжение обеспечивает равномерное и быстрое попадание в зону контакта.

Способы нанесения

Четыре основных метода: (i) капельный; (ii) роликовый; (iii) рециркуляционные системы; (iv) безвоздушное распыление.

• Капельный — для химических растворов, растворимых масел, испаряющихся составов. Используется капельный смазчик с валиком (фетр, пенополиуретан, ковровое покрытие, уплотнение). Капельный смазчик сам по себе не гарантирует непрерывную пленку. Емкость должна обеспечивать 1–2 часа работы. Смазку наносят на полосу или на верхние/нижние валы.
• Роликовый — подвижный бак с насосом подает смазку на намазывающий вал/ролик. Толщину и количество регулируют, излишки возвращаются в бак. Для предокрашенных/полированных материалов рекомендуются полиуретановые/неопреновые валы (стальные могут царапать). На широкой полосе ролик может смазывать только «горб» (crown), края остаются сухими — помогает мягкий вал. Аналогично для волнистой полосы.
• Рециркуляционные системы — для толстого материала, холодно-/горячекатаная сталь (особенно с закалиной). Обильное снабжение смазкой защищает инструмент и смывает закалину/металлическую пыль в бак. Баффлы, отстойники, фильтры удерживают загрязнения. Магниты эффективно удерживают металлические частицы.
• Безвоздушное распыление — вспомогательные узлы на критических участках, смазка режущего ножа. Хорошо работают с растворимыми маслами, легкими маслами, испаряющимися составами. Надежны. Образ луча — круглый или веерообразный. Точечная смазка: на заготовку перед входом в инструмент или в самом инструменте. Современные системы не создают туман/пыль (нет переноса), точно направлены, синхронизированы с циклом оборудования.