Технологические основы получения материалов и изделий из сыпучих стружковых отходов меди и ее сплавов методами обработки давлением

Н. Н. Загиров
Ю. Н. Логинов

Монография

Институт цветных металлов и материаловедения

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ  
ПОЛУЧЕНИЯ  МАТЕРИАЛОВ  
И  ИЗДЕЛИЙ  ИЗ  СЫПУЧИХ   
СТРУЖКОВЫХ  ОТХОДОВ  МЕДИ  
И  ЕЕ СПЛАВОВ  МЕТОДАМИ  
ОБРАБОТКИ  ДАВЛЕНИЕМ

Рассмотрены технологические аспекты получения 
полуфабрикатов и изделий различного функционального назначения из сыпучих стружковых отходов меди и сплавов на ее основе, минуя традиционный металлургический передел. Дана оценка 
механических характеристик прутково-проволочной 
продукции. Проведены необходимые металлографические исследования материалов изучаемых составов. Предложены практические рекомендации по 
использованию полученных результатов в некоторых 
сферах производственной деятельности.

9 785763 832211

ISBN 978-5-7638-3221-1

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
Н. Н. Загиров, Ю. Н. Логинов 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ   
ПОЛУЧЕНИЯ  МАТЕРИАЛОВ 
И  ИЗДЕЛИЙ  ИЗ  СЫПУЧИХ   
СТРУЖКОВЫХ  ОТХОДОВ  МЕДИ 
И  ЕЕ СПЛАВОВ   
МЕТОДАМИ  ОБРАБОТКИ  ДАВЛЕНИЕМ 
 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 
СФУ 
2015 

УДК 621.762.4:669.35 - 026.774 
ББК 34.62+34.332.1 
З-141 
 
 
Рецензент: 
М. В. Чукин, доктор технических наук, профессор,  
первый проректор–проректор по научной и инновационной работе  
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет  
им. Г. И. Носова», заведующий кафедрой ММТ; 
И. М. Володин, доктор технических наук, профессор,  
проректор по научной работе  
ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» 
 
 
 
 
Загиров, Н. Н. 
З-141 
 
Технологические основы получения материалов и изделий из 
сыпучих стружковых отходов меди и ее сплавов методами обработки давлением: монография / Н. Н. Загиров, Ю. Н. Логинов. – 
Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2015. – 171 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-3221-1 
 
 
Рассмотрены технологические аспекты получения полуфабрикатов и изделий различного функционального назначения из сыпучих стружковых отходов меди и сплавов на ее основе, минуя традиционный металлургический 
передел. Дана оценка механических характеристик прутково-проволочной 
продукции. Проведены необходимые металлографические исследования материалов изучаемых составов. Предложены практические рекомендации по 
использованию полученных результатов в некоторых сферах производственной деятельности. 
Предназначена для научных сотрудников, аспирантов и инженерно- 
технических работников, специализирующихся в области обработки давлением сыпучих металлических материалов, а также может быть использована 
студентами высших учебных заведений, обучающимися по направлению 
подготовки 150400 «Металлургия». 
 
Электронный вариант издания см.: 
http:// catalog.sfu-kras.ru 
 

УДК 621.762.4:669.35 - 026.774 
ББК 34.62+34.332.1 

 
 
 
ISBN 978-5-7638-3221-1 
© Сибирский федеральный университет, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... 5 

ГЛАВА 1. Применение методов  термодеформационной обработки   
для производства металлопродукции  непосредственно из сортной 
сыпучей  стружки меди и ее сплавов ............................................................ 8 

ГЛАВА 2. Базовая технологическая схема  изготовления 
полуфабрикатов и изделий  из стружки меди с учетом специфики  
основных операций ......................................................................................... 19 
2.1. Горячее прессование (брикетирование) ................................................... 19 
2.2. Горячая экструзия ...................................................................................... 29 
2.3. Волочение ................................................................................................... 34 

ГЛАВА 3. Теоретическое обоснование  и моделирование процессов 
деформации  пористых материалов ............................................................ 40 
3.1. Напряжения и деформации  при прессовании сыпучего материала   
в закрытом контейнере ..................................................................................... 40 
3.2. Напряжения и деформации при экструзии  пористого материала  
через матрицу..................................................................................................... 56 
3.3. Особенности напряженно-деформированного  состояния  
заготовки  при волочении в присутствии пор ................................................ 62 

ГЛАВА 4. Разработка технологии изготовления  прутков  
и проволоки из сыпучих  стружковых отходов сплавов   
на  основе меди ................................................................................................. 74 
4.1. Особенности формирования структуры  и свойств  
горячепрессованных прутков  и холоднотянутой проволоки,   
получаемых из разных типов стружки  свинцовой латуни ЛС59-1 ............. 74 
4.2. Исследование влияния морфологии частиц  сортных стружковых 
отходов из латуни Л63  на свойства прутков и проволоки,  получаемых 
обработкой давлением ...................................................................................... 85 

ГЛАВА 5. Разработка технологии изготовления  прутков  
и проволоки  из композиционных материалов  на основе 
механических стружковых  смесей меди с ее сплавами .......................... 92 
5.1. Структурообразование материала  в ходе реализации процессов  
горячей экструзии и волочения  полуфабрикатов из стружковой смеси 
меди  и двойной латуни Л63 ............................................................................ 92 
5.2. Отличительные признаки,  характеризующие структуру   
и свойства проволоки  при ее изготовлении  из стружковой  
смеси меди с цинком ....................................................................................... 101 
5.3. Формирование структуры и свойств  медно-хромовой  
композиционной проволоки  за счет смешивания и консолидации  
стружковых компонентов в твердой фазе .................................................... 108 

5.4. Особенности получения  и краткая характеристика структуры  
и свойств  прутково-проволочной продукции  из стружковых смесей  
меди  с некоторыми типами бронз ................................................................ 120 

ГЛАВА 6. Разработка технологии изготовления  прутков  
и проволоки  из структурно-неоднородных материалов   
на основе меди и ее сплавов ........................................................................ 134 
6.1. Использование методов обработки  давлением  для получения 
материала  из сыпучей стружки меди с добавками графита ...................... 134 
6.2. Технология изготовления  и особенности формирования  свойств 
проволоки  из внутренне окисленного сплава  на медной основе ............. 143 
6.3. Сопоставление структуры и свойств  полуфабрикатов,  
полученных переработкой  различных типов отходов меди  
одной марки  по отдельности и в смешанном виде ..................................... 153 

Заключение ..................................................................................................... 162 

Библиографический список ........................................................................ 164 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Как известно, одной из важнейших задач, поставленных перед 
отечественной металлоперерабатывающей промышленностью, является комплексный подход к использованию существующих источников сырья, направленный на экономию имеющихся материальных ресурсов. Заметная роль в связи с этим отводится схемам переработки 
образующихся в том или ином виде отходов производства, которые 
согласно ГОСТ 1639-93 классифицируют по ряду признаков на определенные группы и категории. Так, например, в процессе механической обработки полуфабрикатов из цветных металлов и сплавов на 
различном металлорежущем оборудовании образуется значительное 
количество стружки, достигающее в отдельных случаях до 30 % и более по отношению к весу готовых изделий. Ее, как правило, перерабатывают через плавильный передел, в результате чего происходят существенные потери металла на угар и в неликвидные металлосодержащие отходы, которые ввиду различия физико-химических свойств 
отдельных цветных металлов и сплавов могут отличаться по величине 
в десятки раз. 
Следует отметить, что в тех случаях, когда стружка, в частности 
меди и сплавов на медной основе, в целом относящаяся к классу «Б» 
отходов производства, классифицируется как «сорт 1 или 2», т. е. одной марки сплава с содержанием механических примесей черных металлов не более 0,5 %, а влаги и масла – не более 3 %, более целесообразной, на наш взгляд, является реализация способа, основанного 
на использовании приемов, применяемых в порошковой металлургии. 
В 
этом 
случае 
технологический 
цикл 
«стружка–брикет–
полуфабрикат–изделие» значительно короче традиционного металлургического цикла, менее трудо- и энергозатратный, характеризуется 
повышенным выходом годного, что в итоге обеспечивает снижение 
себестоимости изготовления металлопродукции. 
За рубежом и в нашей стране разработан ряд материалов и технологических процессов, базирующихся на использовании металлической стружки в качестве исходного сырья. Значительный вклад в их 
детальную проработку и практическое опробование внесли такие 

ученые и инженерные работники, как О. А. Ганаго, С. С. Кипарисов, 
В. Н. Корнилов, С. И. Степанов, В. А. Павлов, О. В. Падалко,  
А. И. Рудской, В. И. Соколовский, Н. А. Шестаков, И. Ю. Мезин,  
A. Kobayashi, I. H. Moon, T. Nakagawa, G. S. Sharma и др. Вместе с тем 
следует отметить, что такого рода разработки не носят системный характер и направлены в первую очередь на решение локальных технических задач, связанных с изготовлением металлопродукции, замещающей с определенными оговорками изделия, полученные из литых 
металлов и сплавов соответствующих марок. 
Целью работы являлось формирование и практическое опробование на ряде конкретных примеров общей принципиальной технологической схемы получения прутково-проволочной продукции из материалов, основу которых составляют сортные сыпучие стружковые 
отходы меди и ее сплавов, образующиеся при механической обработке заготовок на различном металлорежущем оборудовании. Особый 
акцент сделан на разработке схем, направленных на создание новых 
специфических композиционных материалов определенного функционального назначения, изготовление которых связано с консолидацией различного рода дискретных сред с заданным сочетанием компонентов в твердой фазе. 
В монографии отображены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные авторами и их коллегами в 
течение нескольких последних лет в рамках выполнения ряда хоздоговорных и госбюджетных работ, проводимых на кафедрах «Обработка металлов давлением» Сибирского и Уральского федеральных 
университетов. В ней обобщены и систематизированы данные, полученные в ходе лабораторных и полупромышленных испытаний новых 
технологий изготовления материалов на медной основе, пока не нашедшие широкого распространения на производстве. 
Авторы выражают благодарность за помощь и содействие, оказанные при работе над книгой в процессе ее подготовки к печати, 
проф. 
В. С. Биронту, С. Б. Сидельникову, доц. В. И. Аникиной, 

А. А. Ковалевой, И. Л. Константинову. Особая благодарность – старшему преподавателю Е. В. Иванову за помощь в оформлении рукописи и создании электронной версии монографии. 
Авторы заинтересованы в дальнейшем развитии, совершенствовании и внедрении разработок в этом направлении и признательны 
первому проректору–проректору по научной и инновационной работе 
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова», заведующему кафедрой ММТ, доктору 

технических наук профессору М. В. Чукину и проректору по научной 
работе ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», доктору технических наук профессору И. М. Володину за 
высказанные ими при рецензировании пожелания, предложения и замечания. 

ГЛАВА 1 
Применение методов  
термодеформационной обработки  
для производства металлопродукции  
непосредственно из сортной сыпучей  
стружки меди и ее сплавов 

В условиях рыночной экономики для многих отраслей промышленности основной проблемой, и одновременно задачей, продолжает 
оставаться создание конкурентоспособной металлопродукции. При 
этом заметная роль в обеспечении высокого уровня физикомеханических свойств и приемлемой себестоимости металлоизделий 
отводится технологиям их производства. Современные тенденции их 
развития связаны с экономией материальных ресурсов путем наиболее полного и комплексного использования существующих источников сырья, изысканием новых, нетрадиционных его видов и организацией на их базе малоотходных производств [1]. 
Одним из потенциальных объектов, который многие годы приковывает внимание работников металлообрабатывающих предприятий, остаются образующиеся в том или ином виде отходы производства, основным способом переработки которых всегда считался 
плавильный передел. Однако сто̀ит отметить, что плавильный передел 
и связанные с ним заготовительно-транспортные операции, являясь 
эффективным средством переработки крупногабаритного лома и отходов, на существующем уровне развития процессов сбора, хранения, 
транспортирования отходов и собственно металлургических процессов не обеспечивают, по нашему мнению, необходимой эффективности переработки стружковых отходов, особенно мелких сыпучих 
фракций. 
Низкая эффективность традиционной технологии при переработке стружковых отходов обусловлена следующими факторами [2]: 
• повышенным угаром металла, который в 2–3 раза превышает 
угар тех же металлов при переплаве кускового лома; 

• снижением на 10–15 % производительности металлургических агрегатов при использовании в шихте стружковых отходов вместо кускового лома; 
• потерями металла за счет коррозии стружки, которые примерно на порядок превышают потери от коррозии кускового лома; 
• экологическим несовершенством плавильного передела, а 
также особо вредными и тяжелыми условиями труда при осуществлении этого передела; 
• отсутствием технологии и оборудования для предварительной 
подготовки и переплава ряда видов стружковых отходов (например, 
окисленной или загрязненной смазочно-охлаждающей жидкостью 
(СОЖ) стружки). 
Недостатки традиционной технологии могут быть сведены к минимуму при переработке стружковых отходов методами, основанными на использовании приемов порошковой металлургии. В этом случае 
технологический 
цикл 
«стружка–прессовка–полуфабрикат–
изделие» значительно короче традиционного металлургического цикла, менее энергозатратен, легко автоматизируется и при необходимости органично встраивается в современное производство. Разрабатываемые при этом схемы переработки стружковых отходов полностью 
исключают угар металла, неизбежный при плавильном переделе, и 
связанные с этим переделом газопылевые выбросы, являющиеся одним из основных источников загрязнения окружающей среды. 
Важнейшими факторами, определяющими промышленную конкурентоспособность указанного направления, являются еще более жесткое, чем перед переплавом, обеспечение селективного (марочного) 
сбора стружковых отходов, четкая организация работ по удалению их 
из зоны резания, а также соблюдение определенных условий хранения их перед переработкой. Выполнение перечисленных требований 
во многих случаях исключает необходимость проведения таких операций, как сепарация твердых и жидких, магнитных и немагнитных 
компонентов; обезжиривание и предварительная тепловая обработка 
стружковых отходов. Хотя, естественно, в итоге все зависит от состояния поступающей на переработку стружки и назначения получаемых из нее изделий. 
Следует отметить, что примеры практической реализации рассматриваемой технологической схемы время от времени приводятся в 
периодических технических изданиях. Но, как правило, в них речь 
идет о переработке в полуфабрикаты и изделия стружки определенного химического состава, образующейся на конкретном металлургиче

ском или машиностроительном предприятии. Задачи, на решение которых направлены такого рода публикации, связаны с изготовлением 
металлопродукции, являющейся альтернативой продукции, произведенной из литых металлов и сплавов. Критерием в данном случае 
служит соответствие уровня механических и эксплуатационных характеристик полученных изделий параметрам, оговоренным в действующих технических условиях. 
Однако более перспективной, на наш взгляд, представляется 
разработка схем, связанных с созданием новых специфических функциональных композиционных или структурно-неоднородных материалов, изготовление которых базируется на консолидации различного рода дискретных сред с определенным сочетанием компонентов в 
твердой фазе. Основу таких материалов и должны составлять сортные 
сыпучие стружковые отходы, образующиеся при мехобработке металлических изделий на металлообрабатывающих станках и агрегатах. 
Термин «сортные» характеризует стружковые отходы цветных 
металлов и сплавов по видам, засоренности и размерам, хотя и предполагает некоторую произвольность форм, размеров и свойств частиц. Обязательным в этом случае является выполнение критериев 
достоверности и определенности химического состава исходного сырья, а также степени чистоты поверхности частиц по загрязнениям 
особого рода, которые обычно не учитываются при соблюдении общих требований химического состава. Особенно это относится к материалам с сильно развитой удельной поверхностью (например металлическим опилкам). 
Разработка материалов с ультрамелкой зеренной структурой 
связана с осуществлением технологий термической и деформационной обработки стружки, обеспечивающих формирование нанофрагментов в твердой матрице. Важная роль в образовании необходимой 
структуры и уровня свойств получаемых из стружки изделий отводится реализуемой технологической схеме, включающей этапы брикетирования, спекания, дополнительных горячей и холодной пластической деформации, а также термообработки. В совокупном виде они 
должны обеспечить как заданную организацию движения макропотоков металла, связанную с развитием значительных деформаций сдвига, так и интенсификацию процессов, характерных для протекания 
механически активируемой тепловой диффузии, а также диффузии, 
обусловленной генерацией и перемещением неравновесных дефектов. 
При этом уменьшение объемного содержания пор вызывается глав

ным образом изменением относительного положения контактирующих микрообъемов материала, сопровождающимся интенсивными 
сдвиговыми деформациями как по контактирующим поверхностям 
деформируемых частиц, так и внутренним сдвигом в деформируемом 
материале. 
При такой деформации создаются благоприятные условия для 
разрушения и диспергирования поверхностных окисных пленок, обнажения ювенильных поверхностей в зоне пор и на поверхностях отдельных частиц, а также образования на этих поверхностях узлов 
схватывания. Роль высокотемпературного нагрева, помимо снижения 
общего уровня прочностных характеристик частиц компактируемого 
материала, дополнительно сводится к растворению, разложению и 
перекристаллизации компонентов, а также развитию диффузионных 
процессов. 
Можно предположить, что для получения изделий из композиционных стружковых материалов не существует единого универсального варианта осуществления технологического процесса (цепочки 
технологических операций), предполагающего к тому же использование однотипного оборудования и приемов, характерных, например, 
только для процессов порошковой металлургии. Для разработки и опробования такого рода технологий следует всякий раз использовать 
комплексный подход, подразумевающий всесторонний последовательный анализ потенциальных возможностей при решении конкретных задач каждой из включенных в схему операций, а также оценку 
экономически целесообразных путей практической их реализации [3]. 
На наш взгляд, технологический процесс получения продукции 
из композиционных стружковых материалов в общем случае должен 
включать стадии, отображенные на схеме (рис. 1.1). Каждая из представленных на схеме стадий характеризуется определенными средствами воздействия на те или иные признаки макро- и микростроения в 
деформируемом материале; поэтому свой законченный вид в каждом 
конкретном случае она приобретает только после соответствующей 
практической апробации. При этом включение в общую схему той 
или иной технологической операции носит вариативный характер, что 
обусловлено видом и спецификой обрабатываемого материала, размерами и конфигурацией получаемых изделий, уровнем достигаемых 
механических свойств и рядом других факторов. 
На рис. 1.2 представлены несколько вариантов конкретной реализации укрупненной общей схемы, показанной на рис. 1.1, применительно к получению изделий в основном круглого поперечного сече