книги из ГПНТБ / Крупин А.В. Прокатка металлов в вакууме учеб. пособие
.pdfА. В. К РУПИИ
ИРОКАТКА
МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ
А. В. К Р У П И Н
ПРОКАТКА
МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ
ДОПУЩЕНО МИНИСТЕРСТВОМ ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР
В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ВУЗОВ, ОБУЧАЮЩИХСЯ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ»
Мо с к в а „МЕТАЛЛУРГИЯ" 1974
УДК 621.771+669—982
УДК 621.771+669—982
Прокатка металлов в вакууме. К р у п н и А. В. М., «Металлургия», 1974. 248 с.
В книге изложены основные вопросы теории и практики процесса прокатки металов в вакууме и
всреде инертного газа.
Дана методика и приведены расчеты по опреде
лению безокислительных условии высокотемпера турной деформации металлов в вакууме, основан ные на принципах химической термодинамики, показано влияние низких парциальных давлении газов на кинетику окисления, рассмотрено основ ное оборудование для прокатки в вакууме и в инертных газах.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области обработки металлов давлением. Может быть полезно инженерно-техническим н научным работникам металлургической и машинострои тельной промышленности. Ил. 174. Табл. 45. Спи сок лит.: 87 назв.
(g) Издательство «Металлургия», 1974
Оглавление
Предисловие ............................................................................................................ |
5 |
Раздел |
первый |
|
|
|
|
|
|
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВАКУУМА ПРИ ВЫСОКОТЕМ |
7 |
||||||
ПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ Д А В Л Е Н И Е М .................................... |
|
||||||
Глава I. Общие вопросы теории ........................................................................ |
|
|
8 |
||||
|
Список литературы ................................................................................ |
|
|
11 |
|||
Глава II. Термодинамический анализ условий безокислительной про |
11 |
||||||
|
катки ........................................................................................................ |
|
|
|
|
||
|
1. Общие сведен и я ................................................................................ |
|
|
11 |
|||
|
2. Безокислительные условия прокатки вольф рам а................. |
14 |
|||||
|
3. Безокислительные условия прокатки циркония..................... |
23 |
|||||
|
Список литературы................................................................................ |
|
|
29 |
|||
Глава III. Влияние вакуума на кинетику взаимодействия металлов с га |
30 |
||||||
• |
зами ............................................................................................................ |
|
|
|
металлов . . . ; |
||
1. |
Влияние вакуума на кинетику окисления |
30 |
|||||
|
2. Влияние вакуума на кинетикупоглощения газов металлами |
36 |
|||||
|
3. Взаимодействие металлов с газами при нагреве и прокатке |
43 |
|||||
|
Список литературы ................................................................................ |
на взаимодействие металлов |
61 |
||||
Глава IV. Влияние |
скорости натекания |
61 |
|||||
|
с газам и ................................................................ |
|
|
’ |
|
||
|
Список литературы.................................... |
|
67 |
||||
Раздел второй |
|
|
|
|
|
||
ПРОЦЕСС ПРОКАТКИ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ |
|
|
|||||
Глава V. Вакуумные прокатные стан ы ............................................................ |
|
|
68 |
||||
|
1. Расчет вакуумных систем^ прокатных стан ов ............................ |
68 |
|||||
|
2. |
Вакуумные уплотнения . ' ............................. |
в вакууме и в среде инерт |
82 |
|||
|
3. Оборудование для деформации |
86 |
|||||
|
|
ных г а з о в ................................................................................. |
|
|
. . . . |
||
|
4. Смазка узлов вакуумных прокатных станов................................ |
108 |
|||||
|
5. |
Вопросы техники безопасности........................................................ |
|
|
109 |
||
|
Список литературы ................................................................................ |
|
|
111 |
|||
Глава VI. Влияние вакуума на условия процесса прокатки.................... |
112 |
||||||
|
1. Окружающая среда при прокатке в вакуум е............................ |
112 |
|||||
|
2. |
Физико-химическое состояние поверхности |
металла . . . . |
118 |
|||
|
3. Температурные условия процесса прокатки в вакууме . . . |
119 |
|||||
|
4. Изменение сопротивления линейной деформации в вакууме |
125 |
|||||
|
Список литературы ................................................................................ |
|
|
130 |
|||
Глава VII. Влияние условий прокатки в вакууме на контактные на |
130 |
||||||
|
пряжения и |
показатели п р оц есса ............................................... |
. |
||||
|
1. Внешнее |
трение ................................................................................ |
|
|
130 |
||
|
2. Контактные напряж ения................................................................ |
|
. ............................. |
138 |
|||
|
3. |
Энергосиловые |
показатели ........................ |
|
147 |
||
|
4. Опережение и |
уш ирение................................................................ |
|
|
150 |
||
|
Список литературы ................................................................................ |
|
|
152 |
|||
Глава VIII. Влияние условий прокатки в вакууме на структуру и свой |
153 |
||||||
|
ства металлов и сплавов............................................ |
|
|
||||
|
I. |
Содержание г а зо в .............................................................................. |
|
|
153 |
||
1* |
3 |
2. |
Структура ............................................................................................ |
|
|
161 |
3. Деформируемость при прокатке.................................................... |
|
169 |
||
4. Механические св ой ств а .................................................................... |
|
178 |
||
. 5. Коррозионная стойкость.................................................................... |
|
186 |
||
6. |
Физические свойства |
...................................................................... |
|
188 |
Список литературы ................................................................................ |
|
|
190 |
|
Глава IX. Процесс прокатки биметаллов в вакууме.................................... |
190 |
|||
1. |
Особенности прокатки |
биметаллов |
в вакууме . ......................... |
191 |
2. Механизм образования |
соединения |
разнородных металлов |
192 |
|
|
при прокатке в вакуум е.................................................................... |
|
||
3. Определение параметровдиффузии в биметаллах................... |
198 |
|||
4. Влияние условий прокатки в вакууме на свойства переход |
203 |
|||
|
ной зоны биметаллов........................................................................ |
|
||
5. Влияние условий прокатки биметаллов в вакууме на энерго |
213 |
|||
|
силовые показатели процесса ........................................................ |
|
||
6. Неравномерность деформации при прокатке в вакууме биме |
216 |
|||
|
таллов .................................................................................................... |
|
|
|
Список литературы ................................................................................. |
|
|
220 |
|
Глава X. Налипание металла на валки при прокатке в вакууме . . . : |
220 |
|||
1. Механизм налипания металлана в а л к и ...................................... |
221 |
|||
2. Влияние условий прокатки в вакууме на процесс налипания |
224 |
|||
3. Выбор материала в а л к о в ................................................................ |
' |
227 |
||
Список литературы ........................................ |
|
235 |
||
Глава XI. Получение полуфабрикатов и изделий обработкой давлением |
235 |
|||
в вакууме и в среде инертныхг а з о в .................................................. |
|
|||
Список литературы................................................................................ |
|
|
242 |
|
Глава XII. Эффективность применения вакуума и инертной среды при |
|
|||
высокотемпературной обработке давлением и перспективы раз |
|
|||
вития м етода.............................................................................................. |
|
|
243 |
|
Предисловие
Развитие новых отраслей техники, предусмотренное реше ниями XXIV съезда КПСС, требует увеличения производства ту гоплавких и редких металлов, сплавов на их основе, а также биметаллов различных композиций.
К новейшим достижениям в области металлургии тугоплав ких металлов относится освоение электроннолучевой, плазменной II зонной плавок, осуществляемых в высоком вакууме и обеспе чивающих получение особо чистых металлов и сплавов с повы шенными физико-химическими и механическими свойствами.
Для полученных и очищенных в вакууме металлов требуются особые способы их дальнейшей обработки, которые предохра нили бы металлы от взаимодействия с активными газами воз духа (кислородом, азотом, водородом). В особенности это отно сится к высокотемпературной обработке металлов давлением, являющейся одной из основных операций в цикле производства полуфабрикатов и готовых изделий. Горячая пластическая де формация тугоплавких и редких металлов, их сплавов, а также биметаллов в атмосфере воздуха сопровождается их интенсив ным окислением и газонасыщением, что резко ухудшает многие физико-механические свойства, приводит к значительным поте рям дорогостоящих материалов, вызывает необходимость приме нения специальных операций по удалению окисленных и газонасыщениых слоев.
Известно, что при высокотемпературной ковке молибдена
снеоднократным подогревом на воздухе весовые потери металла на окисление составляют 12—15%. Высокотемпературная дефор мация. на воздухе ниобия и тантала сопровождается потерями от 10 до 30%. Имеются и другие причины, затрудняющие горя чую обработку тугоплавких металлов на воздухе.
Чтобы осуществить высокотемпературную деформацию туго плавких и редких металлов, их сплавов, а также биметаллов, обладающих высокой реакционной .способностью, и одновре менно уменьшить или полностью исключить их взаимодействие
сактивными газами, необходимо создание специальных методов защиты при высокотемпературной обработке давлеииём.
Наиболее эффективный способ защиты, получающий все бо лее широкое распространение, — применение вакуума или среды инертного газа на всех стадиях обработки-— при нагреве, дефор мации и охлаждении.
Приоритет в создании оборудования для-обработки метал лов давлением в вакууме и в инертных газах, в исследовании
5
и освоении нового метода принадлежит ученым Советского Союза. Большой вклад внесли своими работами И. М. Павлов, Я- Б. Гу ревич, Ф. Е. Долженков, В. С. Смирнов, В. Н. Чернышев, Б. Л. Липецкий, В. М. Изотов, В. С. Боголюбов, В. М. Амоненко, Ю. М. Сигалов, А. С. Тронь, В. Л. Оржеховский и другие советские ученые.
Автор поставил перед собой задачу осветить основные во просы теории и практики высокотемпературной деформации ме таллов в вакууме и инертных газах.
В книге приведены результаты расчетов безокислительных условий обработки ряда тугоплавких металлов с использованием принципов химической термодинамики. Проанализировано влия ние вакуума и скорости натекания на кинетику окисления и по глощения газов металлами. Рассмотрено изменение основных показателей процесса прокатки, структуры, физико-механических и химических свойств металла при обработке в различных сре дах. Уделено внимание особенностям, прокатки в вакууме -биме таллов, а также механизму налипания металла на валки. Даны рекомендации по устранению этого явления.
Приведены конструкции отечественных и зарубежных вакуум ных прокатных станов.
Ввиду того что данный труд является первой попыткой систе матизированного изложения материала по высокотемпературной прокатке тугоплавких металлов в вакууме и в инертных газах, автор будет признателен читателям за предложения и замечания по книге.
Р а зд ел первый
Теоретические основы применения вакуума при высокотемпературной обработке металлов давлением
В развитии науки о пластичности одним из важных направле нии является физико-химическое, посвященное изучению влия ния химического и фазового состава на структуру и физико-ме ханические свойства металлов.
Физико-химическое состояние поверхности металла, окру жающая среда и контактное трение существенно влияют на пластичность металла, кинетику процесса формоизменения, рас пределение напряжений и деформаций в деформируемом теле. Это имеет особое значение при горячей обработке давлением ту гоплавких, редких металлов и их сплавов, обладающих высокой реакционной способностью, а также при получении биметалли ческих материалов различных композиций, особенно состоящих из химически активных компонентов. Поэтому процессы пласти ческой деформации невозможно изучать без анализа физико химического взаимодействия металла с газами, в том числе явле ний сорбции, диффузии, газонасыщения и дегазации, образова ния химических соединений (окислов, нитридов, гидридов и др.) и их диссоциации.
Начало физико-химического направления науки о пластично сти и физико-химии поверхностных явлений положено Н. G. Кур никовым, И. М. Павловым, П. А. Ребиндером, А. А. Бочваром, И. Л. Перлиным и др. Особое значение приобретает это направ ление при изучении высокотемпературной деформации металлов в вакууме и в среде инертных газов.
Г Л А В А I
ОБЩИЕ
ВОПРОСЫ ТЕОРИИ
Отличительная |
особенность обработки |
металлов |
давлением |
в вакууме и в |
среде инертных газов |
состоит |
в возмож |
ности изменения остаточного давления газов в широких преде лах. Это позволяет проводить высокотемпературную деформа цию в условиях низких парциальных давлений активных газов (кислорода, водорода, азота).
Как известно, под вакуумом понимают разреженное состоя ние газа, характеризующееся давлением ниже атмосферного. При анализе явлении, происходящих в разреженных газах, прив лекают кинетическую теорию. При этом предполагают, что раз реженные газы мало отличаются от идеальных, у которых усло вно принято, что:
а) молекулы — это упругие материальные частицы, между ко торыми отсутствуют силы взаимодействия;
б) удар между молекулами — упругий; в) пространство, занимаемое молекулами, бесконечно мало
по сравнению с пространством, свободным от молекул. Согласно кинетической теории, давление, оказываемое моле
кулами газа на стенку сосуда, есть сумма импульсов ударов этих молекул. Давление газа определяется уравнением
1 |
о |
(1) |
Р — ~3~ N i n -Ѵкп, |
||
где N — число молекул в единице объема; т — масса молекул; ѵкв — средняя квадратичная скорость,
или
(2)
Таким образом, при постоянной температуре, т. е. при нейз-
тѵ~
менной кинетической энергии молекул ( — ), давление газа
пропорционально числу молекул в единице объема. Следова тельно, уменьшая количество молекул, т. е. откачивая из вакуум ной камеры газ, можно снижать его давление.
В вакуумной технике для характеристики свойств разрежен ных газов пользуются уравнением, связывающим все три пара метра идеального газа — давление, объем и температуру:
p V — NkT, |
(3) |
где р — давление газа; |
|
V — объем газа; |
|
Т — абсолютная температура; |
эрг/град). |
k — постоянная Больцмана (k= 1,38■ ІО-16 |
8
Как видно из уравнения (3), число молекул в |
1 см3 зависит |
от давления и температуры и равно: |
|
N - - k Т |
(4) |
или N = 9,656 • ІО18 p/Т.
Подсчитанное из выражения (4) число молекул в 1 см3 при различных давлениях для температур 273 и 1273° К приведено в табл. 1.
|
|
|
Т А Б Л И Ц А I |
Изменение числа молекул газа в 1 см3 в зависимости |
|||
|
от давления и температуры |
|
|
Давление р |
|
Число молекул |
в 1 см3 при Т, °К |
И/м2 |
мм рт. ст. |
273 |
1273 |
10,1-104 |
760 |
2,687-1019 |
5,78-1018 |
1,33-102 |
1,0 |
3,536-Юіб |
7,59-1015 |
1,33-10 |
10-1 |
3,536-1015 |
7,59-1014 |
1,33 |
10-2 |
3,536-1014 |
7,59-Юіз |
1,33-10-1 |
10-3 |
3,536-Юіз |
7,59-1012 |
1,33-10-2 |
10-4 |
3,536-1012 |
7,59-10" |
1,33-10-3 |
10-5 |
3,536-ЮП |
7,59-ЮЮ |
1,33-10-4 |
10-6 |
3,536-ГОЮ |
7,59-109 |
1,33-10-5 |
10-2 |
3,536-109 |
7,59-108 |
1,33-10-6 |
10-3 |
3,536-108 |
7,59-107 |
Длина свободного пути молекул газа ограничена их взаим ным столкновением и ударением о стенки сосуда. Общее число соударений всех молекул в 1 с в 1 см3 будет
S=2N°-d°- У , (б)
где d — диаметр молекулы.
За средний свободный путь %принимают такой путь, который в среднем проходит одна молекула между двумя соударениями. При этом каждое соударение двух молекул охватывает два сво
бодных пути, а N молекул пробегают 25 = n]K2N2d2vKB свободных путей на расстоянии NuKB, проходимом N молекулами в 1 с со средней скоростью ѵ,!В. Тогда
I |
іѴі'кв |
N v vn |
()6 |
2S |
• К 2 N-d~vKB |
||
|
|
|
или
(7)
л У 2Ncß ’
9