Статьи и публикации

Производство электротехнических профилей ответственного назначения на ОАО «КУЗОЦМ»

За прошедшие десятилетия с начала выпуска своей первой продукции (февраль 1942г.) завод интенсивно развивался и успешно укреплял свои позиции как одно из ведущих предприятий подотрасли цветметобработки, ориентированное на выпуск полуфабрикатов в широком сортаменте, включающем сегодня около 16 тысяч типоразмеров изделий из более чем 100 сплавов на основе тяжелых цветных металлов – меди, никеля, цинка и др.

В течение последних 10-12 лет, вследствие перехода экономики страны на рыночные отношения и смены приоритетов в ее промышленной политике, существенно выросли требования к качеству изделий, появилась потребность в полуфабрикатах из новых для завода сплавов, а также в продукции из традиционных сплавов, но со значительно отличающимися, по сравнению с отечественными стандартами, техническими требованиями (далее ТТ), в частности, по состоянию поставки, уровню эксплуатационных характеристик, дополнительным требованиям к внешнему виду. С учетом запросов потребителей, представляющих как внутренний, так и зарубежный рынок, на заводе регулярно проводится анализ такой непростой ситуации, на базе которого реализуется комплекс НИР и оргтехмероприятий по освоению производства новых видов продукции. Охватить в одной публикации всю широту и многообразие сортамента завода не представляется возможным, поэтому ниже рассмотрены результаты работы по организации промышленного выпуска некоторых изделий за последние годы:

  • горячепрессованных и холоднотянутых прутков широкого диапазона диаметров – от 6 до 63,5 мм из бронз БрХ1 и БрХ1Цр, поставляемых в облагороженном состоянии, в том числе – на экспорт;
  • целого ряда медных прямоугольных электротехнических профилей, а именно: полутвердых шин экспортной поставки по ТТ, существенно отличных от ТТ российского стандарта; твердых шин с повышенной чистотой поверхности: шин с полным закруглением малых сторон сечения различной твердости; мягких заготовок (в том числе для анодов электролитического растворения) толщиной и шириной, значительно превышающих верхние пределы, регламентированные отечественным стандартом.

Освоение выпуска практически каждого из вышеперечисленных полуфабрикатов потребовало проведения лабораторных и промышленных исследований, модернизации оборудования и совершенствования технологического инструмента – с целью обеспечения оптимальных параметров технологического регламента и выполнения ТТ нормативной документации.

1. Прутки из бронз БрХ1 и БрХ1Цр

Хромосодержащие бронзы среди низколегированных медных сплавов. выпускаемых в России, составляют значительную долю, причем наиболее распространены двойные «медь-хром» и тройные «медь-хром-цирконий» системы, производство которых достигает ~ 90% выпуска всех хромовых бронз. Хромовые бронзы этих систем обладают уникальным сочетанием свойств и широко используются в теплообменных агрегатах, в машинах контактной сварки (электроды и другая оснастка), в электротехнике, электронике, приборостроении и других отраслях. Они – дисперсионо-твердеющие сплавы, имеющие оптимальное сочетание физических, механических и эксплуатационных свойств только после термодеформационной обработки, включающей закалку, фиксирующую пересыщенный твердый раствор, деформацию и старение, в результате которого происходит его распад с выделением дисперсных фаз-упрочнителей. При этом зарубежные заказчики дополнительно предъявляют к пруткам из этих бронз высокие требования по электро- и теплопроводности, твердости и качеству поверхности. Для выполнения этих требований на заводе успешно использовали три технологические схемы.

По первой из них, применяемой для горячепрессованных и облагороженных прутков диметром 38-63,5 мм, слитки полунепрерывного литья диаметром 190 мм подвергали прессованию, совмещенному с закалкой, затем прутки старили в муфельной электропечи, резали в меру и правили на косовалковой правильной машине.

Вторая схема (для получения холоднотянутых и термообработанных прутков диаметром 12-35 мм) включает прессование на ГГП усилием 35 МН заготовок диаметром ≤ 22 мм со смоткой их в бунты и прессование заготовок диаметром 23-50 мм в концах. После закалки заготовки подвергли волочению: концевую – на цепном стане усилием 150кН, бунтовую на стане ВГС 1/720 и автоматизированной линии «Шумаг», далее проводили отделочные операции согласно первой схеме.

Решения серьезных технических проблем потребовало изготовление прутков самых малых диаметров 6-10 мм (третья схема), т.к. при использовании известных рекомендаций большинство прутков не имели необходимой поверхностной твердости, часть из них не соответствовала стандарту АSТМ по продольной кривизне; кроме того, зарубежные потребители предъявляют повышенные требования к качеству поверхности прутков этих размеров, однако травление, следовавшее за операцией старения, существенно ухудшало их товарный вид. С целью достижения стабильного уровня механических свойств, надлежащих значений продольной кривизны прутков и высокого качества их поверхности осуществлен способ термодеформационной обработки изделий из хромовой бронзы, гарантирующий изготовление прутков, полностью отвечающих требованиям отечественных и зарубежных стандартов. Согласно третьей схеме прессованием получали заготовки диаметром 12-18 мм в бунтах и после закалки протягивали за два прохода на машине ВСГ 1/720 со скальпированием на промежуточном диаметре. Чистовое волочение проводили на линии «Шумаг» с совмещением операций резки готовых прутков в меру и правки. Режим старения аналогичен описанному.

Подготовлены технические условия на термообработанные прутки из хромовой бронзы БрХ1 с показателями твердости не менее 75 НRВ и электропроводностью не менее 75% от меди. Изготовленные их таких прутков электроды для контактной сварки прошли успешные испытания на одном из автостроительных заводов, показав стойкость, в 2,2 раза большую по сравнению с традиционно применявшимися электродами.

1 Способ подлежит патентованию.

2. Медные электротехнические профили

2.1. Шины полутвердые

Один из зарубежных покупателей направил запрос на медные шины полутвердого состояния размерами сечений 6×30 и 10×50 мм, содержащий ТТ согласно стандарту ВS1432 (Великобритания), основные пункты ТТ приведены в таблице.

Анализ табличных данных свидетельствует о достаточно серьезных различиях ТТ британского и российского стандартов. Для удовлетворения требований ВS1432 по качеству поверхности и получения механических свойств, отвечающих полутвердому состоянию, было принято решение об изготовлении шин из прессованной заготовки за два прохода волочения с промежуточным отжигом, а чистовое волочение проводить с пониженной степенью деформации по сравнению с традиционной схемой изготовления твердых шин. С учетом этого были составлены соответствующие маршруты волочения, а при изготовлении опытно-промышленных партий предусмотрены следующие дополнительные меры по повышению качества поверхности шин:

  • увеличен угол входной распушки канала предчистовой волоки для исключения повреждения в процессе волочения прессованной заготовки с учетом плюсового допуска на ее сечение;
  • предусмотрена повышенная величина припуска для доводки и полировки канала волоки после его электроэрозионного вырезания;
  • проводилась своевременная очистка канала волок от налипшего металла при чистовом волочении;
  • модернизирован цепной волочильный стан усилием 300кН для исключения повреждений протянутой шины при ее падении в приемный карман стана;
  • предусмотрена увязка медной проволокой бунтов промежуточной заготовки (то есть подтяжки) перед отжигом, т.к. от стальной проволоки на заготовке появлялись следы, остающиеся на изделиях;
  • транспортирование прессованной заготовки и подтяжки осуществляли с помощью капроновых стропов; -усовершенствован процесс кислотного травления прессованной заготовки и подтяжки для исключения выделения из раствора первичной меди и осаждения ее на поверхности полос.

Самое серьезное внимание было уделено поискам вариантов промежуточного отжига подтяжки. Из многих опробованных температурно-временных режимов отжига в различных агрегатах (лабораторных печах, камерной электропечи, конвейерной печи с водяным затвором, проходной роликовой печи) стабильные результаты по соответствию качества шин требованиям стандарта (по состоянию поверхности, по испытанию на изгиб и др.) получены при отжиге заготовок в виде бунтов в конвейерной печи. Полноту протекания процесса рекристаллизации проверяли прибором для измерения электропроводности меди непосредственного на шинах в цеховых условиях.

Для сравнения изготовили шины 10×50 мм за одни проход волочения из прессованной заготовки 12×52 мм (то есть с & = 20%); испытание на изгиб и требования к механическим свойствам они выдержали, однако качество их поверхности уступало качеству шин, изготовленных за два прохода с промежуточным отжигом. Следует отметить, что при всех опробованных вариантах технологических режимов механические свойства (σв и δ) шин находились в пределах требований ВS1432. С учетом изложенного:

  1. приняли в качестве оптимального вариант технологической схемы с двумя проходами волочения и промежуточным отжигом, который желательно проводить в конвейерной печи с водяными затворами при температуре на металле, равной 650±30°С;
  2. для компенсации негативного влияния «заплывания» канала прессовых матриц скорректировали поперечное сечение канала, придав ему форму двояковыпуклого по большим сторонам четырехугольника;
  3. увеличили сечение исходных прессованных заготовок по сравнению с первоначально назначенным с таким расчетом, чтобы первый проход волочения проводить с ε ≥22%.

Несмотря на то, что изготовлены и успешно сданы зарубежному заказчику промышленные партии медных шин полутвердого состояния, разработана и реализуется развернутая программа, касающаяся повышения качества прессованной заготовки с модернизацией выходной стороны пресса усилием 20МН, а также условий транспортирования металла по операциям и обработки его на волочильном переделе.

2.2. Шины с повышенной чистотой поверхности

Твердые медные шины с повышенной чистотой поверхности предназначены для последующего электролитического покрытия их серебром, обеспечивающего наибольшую электропроводность в месте контакта, и это диктует особые требования к шероховатости их поверхности (Rz≤0,63 мкм по ГОСТ 2789-73). По ГОСТ 434-78 параметр шероховатости не регламентируется и должен укладываться в рамки двойных предельных отклонений размеров сечения. Так, например, для шин сечением 5×50 мм эта величина составляет 0,14 мм (140 мкм) на размере 5 мм и 0,28 мм (280 мкм) на размере 50 мм, то есть допустимая величина неровностей поверхности по ГОСТ 434-78 может составлять 140…280 мкм.

Требуемого заказчиком показателя шероховатости достигали на производстве целым рядом технологических приемов – применением повышенных суммарных обжатий при волочении, дополнительной подготовкой поверхности протяжки перед чистовым волочением, соответствующей обработкой канала специальной формы составных и монолитных волок. Указанный выше гарантированный уровень шероховатости (Rz≤0,63 мкм) позволяет обеспечить нанесение покрытий заданной, однородной по поверхности шины толщины. Тем самым удается создать контактные поверхности, обладающие малым переходным сопротивлением и высокой электропроводностью и получить на предприятии-заказчике существенную экономию серебра. Данный вид продукции защищен свидетельством на полезную модель.

2.3. Шины с полным закруглением малых сторон сечения

ГОСТ 434-78 регламентирует закругления в углах профиля, в зависимости от толщины, равные 0,75… 1,5 мм. Однако многие потребители заказывают шины с полным закруглением по малой стороне сечения, то есть с радиусом закругления, равным половине толщины шины. Известно, что такая форма поперечного сечения обладает определенными преимуществами по сравнению с традиционной: повышается износостойкость изоляционного покрытия вследствие отсутствия его изгибов в углах профиля, достигается существенная экономия меди, улучшаются показатели распределения токовой нагрузки по сечению шины.

Для изготовления изделий, удовлетворяющих указанному требованию заказчиков, был изготовлен и использован в производстве технологический инструмент (прессовые матрицы и волоки) с соответствующей формой канала, причем некоторые сложности, возникшие при доводке канала инструмента после электроэрозионного вырезания, были успешно преодолены. Выпускаются промышленные партии продукции этого типа надлежащего качества, полностью удовлетворяющие требованиям заказчиков.

2.4. Полосы с размерами сечения, превышающими стандартные

К полосам из меди М1 длиной 2400…2600, шириной 200…220 и толщиной 16..20 мм, поставляемым в мягком состоянии, предъявляются высокие требования по состоянию поверхности, сопоставимые с требованиями к холоднотянутой продукции, а также по соблюдению геометрических параметров – изогнутости по длине, серповидности, продольной и поперечной разнотолщинности и радиусу закругления углов. Размеры сечения таких заготовок существенно превышают размеры сечения стандартных медных шин как по толщине, так и – в особенности – по ширине, и это наряду с жестким регламентом по их качеству, породило определенные трудности при изготовлении данного вида полуфабрикатов.

Подготовка к производству этих изделий в горячепрессованном виде заключалась в проектировании и изготовлении новых, рассчитанных на значительную ширину заготовок матрицедержателя, матриц, ножа для их раскроя на стеллаже пресса, а также новых роликов с гладкой бочкой соответствующей длины для девятироликовой роликоправильной машины. После проведения перечисленного комплекса подготовительных работ заготовки прессуются из слитков диаметрами 243 и 290 мм, длиной 650 мм на ГГП усилием 35 МH и в полном соответствии с ТТ успешно сдаются потребителям.

Согласно требованиям заказчика из ближнего зарубежья необходимо было изготовить полосы с поперечным сечением примерно таких же размеров, но длиной всего 150…350 мм – для использования их в качестве анодов электролитического растворения; при этом допуски по длине и по косине реза на них весьма жесткие (±2 мм). Для выполнения этого требования завод приобрел и ввел в действие отрезной станок «Сириус» с использованием в качестве инструмента ленточного полотна толщиной 0,8… 1,3 мм, что позволило, наряду с достижением требуемой точности отрезаемых заготовок, получить экономию металла за счет снижения его расхода на стружку – по сравнению с дисковыми пилами, имеющим толщину диска 5.. .8 мм.

Таким образом, Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов за последние годы существенно расширил сортамент выпускаемых изделий и тем самым удовлетворил весьма разнообразные и достаточно жесткие требования заказчиков путем неуклонного повышения качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции, а также обеспечил оперативное выполнение контрактов с потребителями, ориентированными на малотоннажные партии металла, за счет высокого уровня гибкости технологии производства.

Сравнение требований стандартов

Сравниваемые характеристики ВS1432 ГОСТ 434-78
Длина Мерная, L = 4000±6 мм Немерная, L = 3 . . .6 м
Радиус закругления кромок R=1±0,15мм R= 1,05±0,15 мм при толщине

а ≤ 6 мм; L=1,5±0,30мм при

а = 6…10 мм

а=6…10мм

Кривизна Менее 10 мм на любых участках шины длиной

2 м

Серповидность по ширине не более 3,5 мм на 2 м длины
Испытание на загиб Отсутствие трещин при загибе на 180° вокруг оправки с радиусом, равным толщине шины Проверка изгибом на угол 90° только для шин из бескислородной меди
Механические свойства Для полутвердого состояния: σB ≥250МПа, δ≥15%. Для твердого состояния:

при а = 2,5. ..8 мм:

σB ≥289МПа, δ>4%;

при а = 8. ..10 мм:

σB ≥270МПа, δ≥8%.

Для твердых шин σB не регламентирован; НВ > 637Мпа. Для мягких шин в зависимости от «а» σB = 270…310МПа, δ = 35…40%
Состояние поверхности Должна быть чистой и гладкой, без вредных дефектов Допускаются поверхностные потемнения и наличие следов технологической смазки