RU2786551C2

RU2786551C2 - Continuous method for manufacture of capillaries made of non-ferrous alloys

Info

Publication number: RU2786551C2
Application number: RU2021101964A
Authority: RU
Inventors: Марк ПАЗОТТИ
Original assignee: Фейнрорен С.П.А.
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2022-12-22

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of metal processing with pressure; it can be used in the manufacture of capillaries of non-ferrous alloys, in particular aluminum ones. A tube having a hollow cross-section is obtained by continuous cold rotary pressing of an initial workpiece with a solid cross-section. At the same time, deformation of the pressed workpiece is carried out only using a friction force. The resulting tube is cooled to an ambient temperature, and its diameter is reduced to diameters corresponding to the capillary during at least one stage of cold drawing.

EFFECT: possibility of production of capillaries of an unlimited length with constant inner diameters without structural defects.

9 cl

Description

Настоящее изобретение относится к непрерывному способу изготовления капилляров, выполненных из цветных металлов и сплавов. Хотя способ по изобретению может применяться к широкому сортаменту цветных металлов и сплавов, например, к меди, цинку, свинцу, магнию, серебру, золоту и т.д., и их сплавам, было установлено, что он особенно пригоден при обработке алюминиевых сплавов, которые имеют широкое коммерческое применение.The present invention relates to a continuous process for the manufacture of capillaries made from non-ferrous metals and alloys. Although the method of the invention can be applied to a wide range of non-ferrous metals and alloys, such as copper, zinc, lead, magnesium, silver, gold, etc., and their alloys, it has been found to be particularly useful in the processing of aluminum alloys, which have wide commercial applications.

Применение капилляров становится все более широко распространенным в области терморегулирующих вентилей/клапанов, используемых в контурах охлаждения бытовых электроприборов.The use of capillaries is becoming more and more widespread in the field of expansion valves/valves used in the cooling circuits of household electrical appliances.

Широкое применение этих вентилей потребовало разработки способов массового производства таких капилляров, которые обеспечивают количество и качество капилляров, например, с учетом высокой производительности и постоянных конструктивных характеристик. При этом было установлено, что медь и ее сплавы лучше всего подходят для удовлетворения требований в отношении высокой производительности и постоянных конструктивных характеристик. Однако вследствие высокой стоимости меди возникла необходимость в изготовлении капилляров из альтернативных, более дешевых материалов, в частности, из алюминиевых сплавов.The widespread use of these valves has necessitated the development of methods for mass production of such capillaries, which ensure the quantity and quality of capillaries, for example, taking into account high performance and consistent design characteristics. It has been found that copper and its alloys are best suited to meet the requirements for high performance and consistent design characteristics. However, due to the high cost of copper, it became necessary to manufacture capillaries from alternative, cheaper materials, in particular, from aluminum alloys.

Применение алюминиевых сплавов для массового производства капилляров потребовало определенных исхищрений для удовлетворения требований в отношении надлежащих конструктивных и механических характеристик для обеспечения возможности непрерывного производства, без каких-либо дефектов и разрывов, мотков достаточной длины, например, длины, которая превышает 100 м, а предпочтительно превышает 1000 м, например, вплоть до 5 км и более. Процессы, используемые в настоящее время для непрерывного массового производства мотков капилляров, как правило, включают горячее прессование исходных материалов, имеющих сплошное поперечное сечение, полученных литьем, например, круглых заготовок, за которым следуют последующие этапы холодного волочения. При применении таких традиционных процессов было установлено, что не все алюминиевые сплавы пригодны для непрерывного производства вследствие того, что они приводят к недостаточной конструктивной прочности и поломкам, или по меньшей мере к дефектам капилляров при значительных длинах, например, свыше 100 м.The use of aluminum alloys for the mass production of capillaries required certain contrivances to meet the requirements for proper structural and mechanical characteristics to enable continuous production, without any defects or breaks, of coils of sufficient length, for example, a length that exceeds 100 m, and preferably exceeds 1000 m, for example, up to 5 km or more. The processes currently used for the continuous mass production of coils of capillaries typically involve hot pressing raw materials having a solid cross-section, obtained by casting, such as round billets, followed by subsequent cold drawing steps. Using such conventional processes, it has been found that not all aluminum alloys are suitable for continuous production due to the fact that they lead to insufficient structural strength and breakage, or at least capillary defects at significant lengths, for example, over 100 m.

Для преодоления вышеупомянутых проблем в EP 1840487 был предложен конкретный состав алюминиевого сплава, который, хотя и принадлежит к серии UNI 3103 таких сплавов, представляет собой специфический выбор. Согласно данному патенту заявлен селективный состав алюминиевого сплава, который, как заявлено, представляет собой единственный алюминиевый сплав, способный выдерживать непрерывное производство капилляров с длинами, превышающими 100 м, без возникновения разрывов и/или дефектов, и который, как заявлено, обеспечивает возможность изготовления капилляров с по существу постоянными внутренними диаметрами. Помимо заявленного в нем конкретного состава, в EP 1840487 также заявлен соответствующий способ непрерывного производства алюминиевых сплавов, который предусматривает горячее прессование исходных круглых заготовок, их последующее волочение до желаемых диаметров капилляров, промывку внутренних поверхностей мотков капилляров и, наконец, окончательную термообработку для повышения пластичности полученных капилляров.To overcome the aforementioned problems, EP 1840487 proposed a particular aluminum alloy composition which, although belonging to the UNI 3103 series of such alloys, is a specific choice. This patent claims a selective aluminum alloy composition which is claimed to be the only aluminum alloy capable of withstanding continuous production of capillaries with lengths in excess of 100 m without causing breaks and/or defects, and which is claimed to enable the manufacture of capillaries. with substantially constant internal diameters. In addition to the specific composition claimed therein, EP 1840487 also claims a corresponding method for the continuous production of aluminum alloys, which provides for hot pressing of the original round billets, their subsequent drawing to the desired capillary diameters, washing the internal surfaces of the coils of capillaries and, finally, final heat treatment to increase the ductility of the resulting capillaries.

В уровне техники также известны процессы производства трубок посредством ротационного холодного прессования, например, из US 3765216. Согласно данному методу между вращающимся вокруг оси колесом и неподвижной стенкой устройства создают интенсивное трение, которое приводит к выделению тепла, необходимого для обеспечения текучести прессуемого металла, при отсутствии необходимости в подводе тепла извне. В US 5167138 описано устройство для непрерывного ротационного прессования, которое содержит средства охлаждения для обеспечения однородности размеров зерен прессованного изделия. В заявке на патент Китая CN 102615139 предложен конкретный сплав Al с высоким содержанием Si для повышения производительности непрерывного процесса ротационного прессования обычных трубок с диаметром 10-12 мм. Применение данного сплава не было предложено в производстве капилляров ввиду проблем с холодным прессованием, например, описанных в вышеуказанных документах.In the prior art, processes for the production of tubes by rotational cold pressing are also known, for example, from US 3765216. According to this method, intense friction is created between the rotating wheel and the stationary wall of the device, which leads to the release of heat necessary to ensure the fluidity of the pressed metal, in the absence of the need for external heat supply. US 5,167,138 describes an apparatus for continuous rotational pressing which contains cooling means to ensure that the grain sizes of the pressed article are uniform. Chinese patent application CN 102615139 proposes a specific Al alloy with a high Si content for improving the productivity of a continuous rotational pressing process of conventional tubes with a diameter of 10-12 mm. The use of this alloy has not been proposed in the manufacture of capillaries due to problems with cold pressing, such as those described in the above documents.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ массового производства капилляров, в частности, исходя из алюминиевых сплавов, которые выгодны в отношении затрат по сравнению с капиллярами на основе меди и ее сплавов, при этом такой способ упрощен, является более экономически выгодным и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с процессами формования, используемыми до настоящего времени.The purpose of the present invention is to provide a method for mass production of capillaries, in particular based on aluminum alloys, which is cost-effective compared to capillaries based on copper and its alloys, while such a method is simplified, more cost-effective and has lower environmental impact compared to the molding processes used to date.

В рамках данной цели задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ непрерывного, практически «бесконечного», производства трубок, которые не имеют структурных дефектов, возникающих, как правило, в результате горячего прессования, например, бамбукообразных участков, разбухания, растрескивания и включений, и которые имеют внутреннее сечение, которое является по существу постоянным, что позволяет использовать их для изготовления капилляров, при отсутствии необходимости в дополнительных этапах для их получения.Within the scope of this object, the object of the invention is to provide a process for the continuous, practically "endless" production of tubes which are free from the structural defects typically resulting from hot pressing, such as bamboo-like patches, swelling, cracking and inclusions, and which have an internal cross section that is substantially constant, allowing them to be used to make capillaries without the need for additional steps to make them.

Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ изготовления капилляров, который может быть применен к цветным сплавам в целом и, в частности, к алюминиевым сплавам с составами, которые могут изменяться в широких пределах, включая широко используемые сплавы, которые не имеют никаких особых ограничений или ограничивающих факторов, соответствующих их химическому составу, и которые имеются в свободном доступе на рынке, например, в виде полуфабрикатов со сплошным поперечным сечением.A further object of the invention is to provide a method for making capillaries that can be applied to non-ferrous alloys in general, and in particular to aluminum alloys with compositions that can vary widely, including commonly used alloys that do not have any particular restrictions or limiting factors appropriate to their chemical composition and which are freely available on the market, for example, in the form of semi-finished products with a solid cross section.

Эта цель и эти и другие задачи, которые станут более понятными в дальнейшем, достигается/решаются посредством способа изготовления капилляров из цветных сплавов, который включает непрерывное холодное ротационное прессование исходной заготовки со сплошным поперечным сечением, полученной литьем, для получения трубки, имеющей полое поперечное сечение, при этом деформирование прессуемой заготовки достигается только посредством силы трения, охлаждение полученной прессованием трубки до температуры окружающей среды и по меньшей мере один этап холодного волочения полученной прессованием трубки для уменьшения ее диаметра до диаметров, соответствующих капилляру.This goal and these and other objects that will become more clear in the following are achieved / solved by a method for manufacturing capillaries from non-ferrous alloys, which includes continuous cold rotational pressing of the initial workpiece with a solid cross-section, obtained by casting, to obtain a tube having a hollow cross-section , wherein deformation of the pressed workpiece is achieved only by means of friction force, cooling of the tube obtained by pressing to ambient temperature and at least one stage of cold drawing of the tube obtained by pressing to reduce its diameter to diameters corresponding to the capillary.

Следовательно, способ согласно изобретению включает первый этап непрерывного холодного ротационного прессования в соответствии с методом, описанным, например, в US 3765216 или US 4055979, в котором подлежащую прессованию заготовку подают в холодном состоянии, без ее нагрева заранее, и она достигает необходимой деформации только посредством силы трения, создаваемой в машине для прессования. В частности, в соответствии с таким методом исходную заготовку, которая обычно представляет собой катанку, имеющую сплошное поперечное сечение, полученную обычно посредством литья и холодной прокатки на производственной линии, подают холодной в машину для ротационного прессования, которая содержит стальное вращающееся колесо, приводимое в движение посредством двигателя и редуктора. Колесо снабжено наружной, проходящей по периметру, бесконечной канавкой, в которую вставляется катанка, которая увлекается через камеру прессования и подвергается в ней воздействию большой силы трения, создаваемой за счет трения между колесом и участком стенки камеры, например, благодаря расположенным на ней выступам или штырям, которые входят в контакт с канавкой колеса во время вращения. При этом в зоне трения катанка в канавке достигает такого уровня текучести или деформации сплава, из которого она выполнена, который позволяет продавливать ее через матрицедержатель, например, комбинированную матрицу со встроенной иглой, который(ая) расположен(а) в камере прессования. Таким образом, на данном первом этапе способа происходит непрерывное ротационное прессование, при котором этот уровень деформируемости достигается в любом случае и прессование катанки происходит без подвода тепла извне или индукционного нагрева.Therefore, the method according to the invention comprises a first step of continuous cold rotational pressing according to the method described in, for example, US 3,765,216 or US 4,055,979, in which the preform to be pressed is fed cold, without preheating it, and it achieves the required deformation only by the friction force generated in the pressing machine. In particular, according to such a method, the stock, which is usually a wire rod having a solid cross-section, obtained usually by casting and cold rolling on a production line, is fed cold into a rotary extrusion machine, which contains a steel rotating wheel driven by through motor and gearbox. The wheel is provided with an external endless groove running along the perimeter, into which a wire rod is inserted, which is entrained through the pressing chamber and is subjected to a large friction force in it, created due to friction between the wheel and a section of the chamber wall, for example, due to protrusions or pins located on it. that come into contact with the wheel groove during rotation. At the same time, in the friction zone, the wire rod in the groove reaches such a level of fluidity or deformation of the alloy from which it is made, which allows it to be pressed through a die holder, for example, a combined die with a built-in needle, which is located in the pressing chamber. Thus, in this first step of the process, continuous rotational pressing takes place, at which this level of deformability is reached in any case and the pressing of the wire rod takes place without external heat input or induction heating.

На практике может быть использована исходная катанка в виде мотка массой, которая может быть значительно большей, чем используемая в процессе горячего прессования. В целях иллюстрации, может использоваться моток массой 2000 кг, размещенный, например, на поддоне, который разматывают и очищают на внешней поверхности посредством обработки щетками или пропускания через водные растворы на производственной линии и который затем подают на непрерывное ротационное прессование. Катанка может иметь исходный наружный диаметр, составляющий, например, 9,5-15 мм. Несмотря на то, что способ может быть применен к различным цветным металлам и сплавам, например, включая медь, он особенно выгоден при изготовления капилляров из алюминиевых сплавов, требующихся в широком ассортименте, например, в области терморегулирующих вентилей, за счет их низкой стоимости по сравнению с медью и медными сплавами. Было фактически установлено, что, преимущественно, способ по настоящему изобретению может быть использован с широким рядом алюминиевых сплавов с механическими характеристиками, подходящими для легкой деформируемости выдавливанием, без других ограничивающих факторов или ограничений с точки зрения химического состава. Следовательно, могут быть использованы алюминиевые сплавы, определяемые стандартом UNI EN 573-3, серия 1000-6000, например, сплавы серии 3000, например, сплав EN-AW 3103, содержащий Si, Fe и Mg, которые значительно превосходят сплавы Al, описанные в EP 1840487.In practice, the original wire rod can be used in the form of a coil with a mass that can be much larger than that used in the hot pressing process. For illustrative purposes, a 2000 kg skein may be used, for example, placed on a pallet, which is unwound and cleaned on the outer surface by brushing or passing through aqueous solutions on the production line and which is then fed to continuous rotational pressing. The wire rod may have an initial outer diameter of, for example, 9.5-15 mm. Although the method can be applied to various non-ferrous metals and alloys, for example, including copper, it is particularly advantageous in the manufacture of capillaries from aluminum alloys, which are required in a wide range, for example, in the field of thermostatic expansion valves, due to their low cost compared to with copper and copper alloys. It has actually been found that, advantageously, the method of the present invention can be used with a wide range of aluminum alloys with mechanical characteristics suitable for easy extrusion deformability, without other limiting factors or limitations in terms of chemical composition. Therefore, aluminum alloys defined by UNI EN 573-3, 1000-6000 series can be used, such as 3000 series alloys, such as EN-AW 3103 alloy containing Si, Fe and Mg, which are far superior to the Al alloys described in EP 1840487.

Трубку, выходящую из машины для холодного ротационного прессования, пропускают через ванну охлаждения и сушки для охлаждения ее до температуры окружающей среды.The tube exiting the cold rotary press machine is passed through a cooling and drying bath to cool it down to ambient temperature.

Полученную в результате прессования трубку затем направляют на контроль качества посредством индуцированного тока, например, через направляющие петли, для маркирования любых линейных дефектов, и затем она может быть направлена на последующие этапы холодного волочения, либо сразу, либо после намотки посредством моталок для ожидания таких последующих процессов.The resulting extruded tube is then sent for quality control by induced current, for example through guide loops, to mark any linear defects, and then it can be sent to subsequent cold drawing stages, either immediately or after winding by winders to wait for such subsequent processes.

Способ по изобретению в конце включает по меньшей мере одну конечную стадию холодного волочения, а, предпочтительно, последовательность стадий волочения для постепенного уменьшения диаметра полученной прессованием трубки до тех пор, пока она не достигнет желаемого диаметра капилляра, обычно внутреннего диаметра в диапазоне 0,2-4,5 мм. На практике холодное волочение является обычным, при котором одну или более операций уменьшения поперечного сечения трубок в холодном состоянии осуществляют на линиях волочения, с помощью имеющих соответствующие размеры волок и оправок.The method of the invention finally includes at least one final cold drawing step, and preferably a series of drawing steps to progressively reduce the diameter of the pressed tube until it reaches the desired capillary diameter, typically an internal diameter in the range of 0.2- 4.5 mm. In practice, cold drawing is common, in which one or more operations of reducing the cross-section of tubes in the cold state are carried out on drawing lines, using appropriately sized dies and mandrels.

Как можно видеть из вышеизложенного, способ согласно изобретению обеспечивает значительные преимущества за счет использования непрерывного холодного ротационного прессования, при котором не используется индукционный нагрев, в сочетании с конечным холодным волочением. При замене обычного горячего прессования холодным ротационным прессованием, при котором тепло подводится за счет силы трения и деформирование осуществляется посредством вращающегося колеса, заметно уменьшается потребление электроэнергии, при этом расход электроэнергии, выраженный в кВт на тонну продукции, равен одной трети от соответствующего расхода при обычном процессе изготовления капилляров на основе горячего прессования. Кроме того, непрерывный процесс холодного прессования, помимо неиспользования индукционного нагрева, за счет используемого в нем способа деформирования на вращающемся колесе обеспечивает уменьшение образования оксидов и не требует смазочных веществ на производственных инструментах, что делает промывание капиллярной трубки необязательным и несущественным. Действительно, в способе горячего прессования может быть необходимым, помимо смазывания инструментов, смазывание контейнера для заготовок графитом, маслом или полимерами специального состава.As can be seen from the above, the method according to the invention provides significant advantages through the use of continuous cold rotational pressing, which does not use induction heating, in combination with the final cold drawing. By replacing conventional hot pressing with cold rotary pressing, in which heat is applied by friction and deformation is carried out by a rotating wheel, the energy consumption is markedly reduced, while the energy consumption, expressed in kW per ton of product, is equal to one third of the corresponding consumption in the conventional process. production of capillaries based on hot pressing. In addition, the continuous cold pressing process, in addition to not using induction heating, due to its rotating wheel deformation method, reduces the formation of oxides and does not require lubricants on production tools, which makes washing the capillary tube unnecessary and insignificant. Indeed, in the hot pressing process, it may be necessary, in addition to lubricating the tools, to lubricate the preform container with graphite, oil or specially formulated polymers.

Воздействие на окружающую среду заметно ослабляется за счет того, что потребление водных ресурсов уменьшается ниже 50 м³/ч воды, а расход гидравлического масла для приведения в действие машин – ниже 1 м³, и в то же время уменьшаются углеродсодержащие выбросы. Действительно, при отсутствии необходимости в индукционном нагреве не требуется нагревательная печь, которая обычно представляла бы собой электрическую индукционную печь и, следовательно, требовала бы системы охлаждения, с являющимся следствием этого увеличением необходимого объема воды. Альтернативно, устраняется потребление газообразного метана, используемого для работающих на метане нагревательных печей.The environmental impact is markedly reduced by reducing water consumption below 50 m ³ /h of water and hydraulic oil consumption for driving machines below 1 m ³ , while at the same time reducing carbon emissions. Indeed, if induction heating is not required, a heating furnace is not required, which would normally be an electric induction furnace and therefore would require a cooling system, with a consequent increase in the required volume of water. Alternatively, the consumption of methane gas used for methane-fired heating furnaces is eliminated.

Наконец, способ по изобретению позволяет изготавливать капилляры неограниченной длины, в любом случае превышающей 10000 мм, и с по существу постоянными внутренними диаметрами, которые делают возможными минимальные изменения скорости потока текучей среды, и с оптимальной шероховатостью наружной и внутренней поверхностей.Finally, the method according to the invention makes it possible to manufacture capillaries of unlimited length, in any case exceeding 10,000 mm, and with substantially constant internal diameters, which allow minimal changes in the flow rate of the fluid, and with optimum roughness of the outer and inner surfaces.

Раскрытия изобретения в заявке на патент Италии № 102018000006938, по которой данная заявка испрашивает приоритет, включены сюда по ссылке.The disclosures of the invention in Italian Patent Application No. 102018000006938, for which this application claims priority, are incorporated herein by reference.

Claims

1. A method for manufacturing capillaries from non-ferrous alloys, which includes continuous cold rotational pressing of an initial workpiece with a solid cross section, obtained by casting, to obtain a tube having a hollow cross section, while deformation of the pressed workpiece is achieved only by friction force, cooling the tube obtained by pressing to ambient temperature; and at least one step of cold drawing the compression molded tube to reduce its diameter to diameters corresponding to the capillary.

2. The method of claim 1, further comprising the step of winding the pressed tube into a coil prior to being fed into the cold drawing step.

3. Method according to claim 1 or 2, wherein said non-ferrous alloy is an aluminum alloy selected from the series 1000 to 6000 according to UNI EN 573-3.

4. Method according to any one of claims 1 to 3, wherein the alloy is a UNI 3103 series aluminum alloy.

5. A method according to any one of the preceding claims, comprising a plurality of cold drawing steps which are carried out sequentially until an internal diameter of the capillary in the range of 0.2 to 4.5 mm is obtained.

6. The method according to any one of the preceding claims, wherein continuous rotational pressing is carried out using a wheel with an endless outer groove extending along the perimeter, in which said blank is placed and fed into the compaction chamber by contact with projections in the chamber to create sufficient friction to achieve deformation, necessary for pressing the workpiece.

7. The use of continuous cold rotational pressing which generates sufficient friction to deform and extrude a workpiece having a solid cross section, in combination with at least one cold drawing step to form non-ferrous alloy capillaries.

8. Use according to claim 7, wherein the non-ferrous alloy is UNI EN 573-3 series 1000-6000 aluminum alloy, in particular UNI 3103 series aluminum alloy.

9. Use according to claim 7 or 8, wherein the capillary has an internal diameter of 0.2-4.5 mm.