книги из ГПНТБ / Крупин А.В. Прокатка металлов в вакууме учеб. пособие

сил.

Тя г у н о в Г. А. Основы расчета вакуумных систем. М., Госэнергонздат, 1948. 147 с. с ил.

с.1051.

Эш б а X Г. Л. Практические сведения по вакуумной технике. М., «Энер­ гия», 1966. 296 с. с пл.

Г Л А В А VI

ВЛИЯНИЕ ВАКУУМА НА УСЛОВИЯ ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ

1. Окружающая среда при прокатке в вакууме

Обычный процесс прокатки осуществляется в воздушной среде в условиях атмосферного давления 10,1 • ІО4 Н/м2 (760 мм рт. ст.), в вакууме — при пониженных парциальных давлениях кислорода, азота, водорода и других газов.

Следовательно, процесс прокатки в вакууме характеризуется дополнительным параметром — давлением окружающей среды,

112

которое в существующих вакуумных прокатных станах может

рт. ст.) при прокатке в вакууме. С понижением давления газо­ вой среды уменьшается концентрация газовых молекул в еди­

рт. ст.). Такая концентрация молекул сопоставима с состоя­ нием газовой среды в космосе: уже на высоте 200 км над уров­ нем моря степень вакуума составляет 1,33 • Ю-4 Н/м2 (10_6 мм рт. ст.). С увеличением высоты над уровнем моря молекуляр­ ная плотность среды уменьшается, п на высоте 6500 км суще­ ствует сверхвысокий вакуум 1,33-ІО"11 Н/м2 (ІО-13 мм рт. ст.), причем газ находится в виде атомов и ионов.

Сверхвысокий вакуум и невесомость в околоземном косми­ ческом пространстве открывают широкие перспективы для осу­ ществления в будущем новых технологических процессов, в том числе высокотемпературной обработки металлов давлением в вакууме.

При расчетах термодинамических параметров безокислительных условий деформации обычно принимают, что соотно­ шение давлений газовых компонентов (21% 0 2, 78% N2), со­ ставляющих атмосферу при нормальном давлении, сохраняется

Проверяют истинный состав газов и измеряют их парциаль­ ные давления с помощью масс-спектрометров, работа которых основана на принципе ионизации газов или паров в вакуумной системе и последующего разделения полученных ионов в элек­ трическом и магнитном поле в зависимости от отношения массы иона к его заряду (mjg). Эти приборы измеряют одновременно пли поочередно отдельные составляющие ионных токов, соот­ ветствующие парциальным давлениям различных газов, присут­ ствующих в вакуумной системе.

В большинстве случаев при ионизации газа медленными электронами образуются ионы с одним положительным заря­ дом, т. е. g = e. Это позволяет с приемлемой для большинства исследований точностью считать, что скорость ионов в электри­

ческом поле обратно пропорциональна У т.

В зависимости от скорости ионы могут быть разделены по их отклонениям в постоянном магнитном поле (статические масс-спектрометры) и по резонансу колеблющихся ионов в пе­ ременном электрическом поле (динамические масс-спектро­ метры)'. Расшифровывают спектр масс по массовым чис­ лам М.

Статические масс-спектрометры (типа МХ1306), пред­ назначенные для молекулярного анализа газовых смесей, одно­ временно регистрируют часть спектра и имеют системы напуска анализируемых газов. Поэтому использование статических масс-спектрометров для измерения парциальных давлении ос­ таточных газов в вакуумных системах затруднительно из-за их сложности и громоздкости.

К динамическим масс-спектрометрам, имеющим высокоча­ стотное электрическое поле, относятся омегатрон (типа ИПДО-1), радиочастотный масс-спектрометр (типа МХ6405), времяпролетнып масс-спектрометр (типа МСХ-ЗА), фарвптроп и электрический фильтр масс (Э'ФМ-1).

Хотя разрешающая способность подобных приборов невы­ сока, однако благодаря ряду преимуществ (портативности, про­ стоте и дешевизне) в последнее время их используют в вакуум­ ных прокатных станах для измерения парциальных давлении газов.

К основным характеристикам масс-спектрометров относятся: разрешающая способность и минимальное измеряемое давле­ ние. Разрешающей способностью прибора называется отноше­ ние М/ДМ (где М — полусумма массовых чисел разрешаемых изотопов, а ДМ — минимальное значение разности массовых чисел двух групп изотопов, которые еще могут быть разрешены данным прибором).

Максимальная разрешающая способность определяет значе­ ние массового числа, при котором могут быть полностью раз­ делены соседние пики, отличающиеся один от другого на одну атомную единицу массы (а.е. м.). По физической шкале масс за атомную единицу массы принимают 1/16 массы атома ос­ новного изотопа кислорода О16. Физическая шкала массовых чисел удобна, так как определение масс изотопов сводится к сравнению с массой изотопа-эталона.

При измерении парциальных давлений газов во время про­ цессов обработки давлением в вакууме важное значение имеет длительность развертки спектра. Процессы обработки металлов давлением могут происходить в течение секунд, а длительность развертки всего спектра некоторых типов масс-спектрометров составляет 20 мин. Поэтому масс-спектрометры с большой дли­ тельностью развертки спектра масс не могут быть использо­ ваны в качестве газоанализаторов при обработке металлов давлением в вакууме.

Разрешающая способность приборов, предназначенных для анализа газов в вакуумной системе прокатного стана, по-ви­ димому, должна быть не менее 30 а. е. м., так как анализ азота, окиси углерода и кислорода с меньшим разрешением затруд­ нителен.

Количество измеряемого газа обычно согласовывают с чув­ ствительностью прибора. При определении парциальных давле-

114

нпй газов в условиях обработки давлением в вакууме масс- ■спектрометрическим методом исходными факторами, которые необходимо согласовать с чувствительностью прибора, явля­ ются газосодержание обрабатываемого металла и объем реци­ пиентов вакуумной системы.

В качестве примера рассмотрим результаты анализа газов, проведенного на установке, состоящей из времяпролетиого массспектрометра типа МСХ-ЗА, датчика, присоединенного к нагре­ вательной камере вакуумного стана дуо-170 и системы напуска газов с натекателем игольчатого типа '.

Масс-спектрометр работает в диапазоне регистрируемых

Сущность определения массы сводится к тому, что время пролета ионов от источника до собирающего коллектора за­ висит от массы ионов и определяется по формуле

где L — длина пространства дрейфа (L = 400 мм); т — масса иона;

g — заряд иона;

V — ускоряющее напряжение.

При быстрых изменениях состава газов прибор работает

врежиме непрерывной регистрации спектра масс с временным1

1Подробное описание установки’и методики определения состава газов приведено в работе А. В. Крупина; И. М. Павлова, Н. А. Аникеева и др. «Прокатка сплавов в вакууме», М., «Цветметинформация», 1970.

разрешением при киносъемке с экрана до 0,03 с регистрацией времени съемки каждого спектра относительно начала изучае­ мого явления.

Масс-спектрометр калибруется методом давлении,, по чистым газам Н2, Не, СО, N2, 0 2 и С02. Линейные зависимости ионных токов от давлений подтверждают молекулярный режим тече­ ния газов.

Значения давления газов определяют с учетом эффектив­ ности ионизации по формуле

где р — истинное давление газа; рк— кажущееся давление газа;

R — относительная чувствительность манометра к данному газу.

Относительная чувствительность не зависит от конструкции ионизационных манометров и, по мнению некоторых исследова­ телей, не может быть рпределена с точностью выше ±20%. Приняты следующие коэффициенты относительной чувствитель­ ности: для сухого воздуха и азота /?=1, для водорода R = 0,46, для окиси углерода /?=1,11, для кислорода R = 0,95 и для угле­ кислого газа Ä = l,53.

Анализ синтетических смесей газов показывает вполне удо­ влетворительную сходимость результатов. Максимальная отно­ сительная ошибка при этом не превышает ±10%.

Парциальные давления газов определяют по формуле

P i ~ Z j l > >

где pi— парциальное давление газа;

/Г — интенсивность ионного тока газа; %і — константа, зависящая от конструкции прибора и сече­

ния поля ионизации газа.

Для учета флуктуаций при работе прибора, а также неста­ бильности работы электронного умножителя при каждом вклю­ чении проводят калибровку по гелию.

В общем случае при изменении парциальных давлений газов корреляция между типом газа и массовым числом не всегда очевидна. Это особенно характерно при большой величине мас­ сы, когда приходится принимать во внимание несколько воз­ можных фрагментов. Кроме того, молекулы газа, присутствую­ щие в ионном источнике, всегда оказываются в той или иной степени диссоциированными, а возможно, и многократно иони­ зированными.

Результаты расшифровки спектра масс остаточных газов (табл. 22) в вакуумной камере прокатного стана дуо-170 (Ин­ ститут физики твердого тела АН СССР) показали, что газовая

116

Данные практики показывают, что количество паров масел, попадающих в камеру из паромасляных насосов, при наличии азотной ловушки составляет около 1,37-ІО-4 Н-ч/м2 (1,4х Х1СН3 мг-ч/см2) и при отсутствии ловушки 7,35-К)-5 Н-ч/м2 (7,5-ІО-4 мг-ч/см2). На начальной стадии откачки концентра­ ция молекул всех компонентов газа в камере обычно умень­ шается с одинаковой скоростью. При откачке системы даже в течение продолжительного времени количество углеводородов не уменьшается ниже определенного уровня. Значение интен­

сивности ионного тока фрагмента 320 о" характеризует величину

натекания из атмосферы.

При включении нагревателей возрастает интенсивность ион­

ных токов фрагментов 2l~lt, 28СО+, 2N2~, однако с увеличением

времени прогрева и откачки их количество постепенно сни­ жается.

Таким образом, остаточные газы в вакуумной камере про­ катного стана состоят в основном из углеводородов (44,4%) и окиси углерода (28,6%), содержание кислорода равно 3,8%, в отличие от расчетного (21%). Истинное парциальное давле­ ние кислорода в вакуумной камере при остаточном давлении

117

1,33-ІО""3 Н/м2 (ІО-5 мм рт. ст.)— 4,5-ІО-5 Н/м2 (3,4-ІО""7 мм рт. ст.) на порядок ниже расчетного давления кислорода.

Резкое уменьшение парциальных давлении газов приводит к существенному изменению условий процесса прокатки.

2. Физико-химическое состояние поверхности металла

С понижением давления, сопровождающимся уменьшением числа газовых молекул в единице объема, сокращается число ударов молекул о поверхность обрабатываемого металла.' Если при 25°С о поверхность 1 см2 ударяется 3,6-ІО20 моль/с, то в вакууме 1,33KP3 Н/м2 (ІО-5 мм рт. ст.) это число составляет 3,6-ІО11 моль/с. Следовательно, при обработке металлов дав­ лением в вакууме интенсивно уменьшается концентрация га­ зовых молекул и, в частности кислорода на поверхности ме­ талла.

Как было показано, концентрация кислорода на поверхности определяется процессом равновесной адсорбции и скорость про­ текания стадии, лимитирующей скорость всего процесса оки­ сления, есть функция концентрации кислорода на поверхности. Поэтому с понижением давления газов скорость окисления резко падает.

Действительно, для подобной модели концентрация кисло­ рода определяется изотермой Лэнгмюра, по которой доля по­ верхности, покрытой поглощенным кислородом, составляет

где р — парциальное давление кислорода в окружающей среде; а — константа.

При высоком давлении ар^$> 1, Ѳ=1 п поверхностная концен­ трация не зависит от давления. При низком давлении ар<^. 1 п Q = ap. Таким образом, при низком давлении поверхностная кон­ центрация и, следовательно, скорость окисления линейно зави­ сят от давления. Падение скорости окисления в области низких давлений приводит к уменьшению толщины окисных пленок, образующихся на поверхности металла при его обработке дав­ лением в вакууме.

Ранее отмечалось, что на металлах с высокой упругостью диссоциации окислов даже в низком вакууме окисные пленки имеют малую толщину, в высоком же вакууме поверхность этих металлов становится практически свободной от окисных пле­ нок— образуется ювенильная поверхность.

В этих условиях может развиваться процесс так называе­ мого вакуумного травления, состоящий в избирательном испа­ рении атомов с отдельных участков образца, в которых име­ ются скопления несовершенств кристаллической решетки. В ре­

118

зультате вакуумного травления выявляется микроструктура ме­ талла.

Толщина окисных пленок, образующихся в низком вакууме на металлах с низкой упругостью диссоциации окислов, на­ много меньше толщины окалины, образующейся при нагреве на воздухе. Однако в связи с еще высокой скоростью окисления этих металлов в низком вакууме толщина окисных пленок весьма значительна п уменьшается с увеличением глубины ва­ куума. Однако даже в высоком вакууме на поверхности метал­ лов с низкой упругостью диссоциации окислов присутствуют тончайшие окисные пленки.

Понижение парциальных давлений газов приводит не только к уменьшению толщины окисных пленок на металлах и к пол­ ному их исчезновению при определенных условиях, но и к изме­ нению структуры и свойств пленок.

Таким образом, среда, в которой происходит нагрев и пла­ стическая деформация металла, в значительной мере опреде­ ляет физико-химическое состояние поверхности металла, ока­ зывающее, как известно, громадное влияние на контактное трение, силовые показатели процесса, структуру и физико-меха­ нические свойства металла, включая сопротивление линейной деформации.

3. Температурные условия процесса прокатки в вакууме

Изменение состояния поверхности при прокатке в вакууме существенно влияет на температурные условия процесса, т. е. на распределение температур в объеме металла, перепад темпе­ ратур между поверхностными и глубинными слоями, интенсив­ ность охлаждения металла в процессе транспортировки к вал­ кам и после выхода из валков, теплообмен между металлом и окружающей средой и металлом и инструментом, температур­ ный режим работы инструмента.

Недооценка роли влияния физико-химического состояния де­ формируемого металла на его температурное поле может отри­ цательно сказаться на условиях службы инструмента (вследст­ вие тепловых ударов), а также на качестве продукта (из-за рез­ кой неравномерности деформации, вызванной охлаждением приконтактпых слоев).

Число экспериментальных работ по изучению температурных условий процесса деформации ограничено, в большинстве слу­ чаев в них рассмотрен процесс пластической деформации на воздухе без учета и строгой оценки физико-химического состоя­ ния поверхности металла. На основании анализа существующих методов изучения температурных условий процесса прокатки в Московском институте стали и сплавов разработан комплекс­ ный метод, позволяющий регистрировать изменение темпера­

119

туры по сечению металла и валка во времени на всех стадиях процесса прокатки: во время нагрева заготовки в печи и транс­ портировки ее к рабочим валкам, при прохождении очага де­ формации и в процессе охлаждения после выхода из валков.

На рис. 57 показан характер изменения температуры тёла валка при прокатке в различных средах (в=22%). Максималь­ ное изменение температуры в процессе пластической деформа­ ции наблюдается на контактной поверхности. При прокатке в высоком вакууме 6,65 • ІО-2 Н/м2 (5 -ІО-4 мм рт. ст.) темпе­ ратура поверхности валка скачкообразно возрастает при входе заготовки в очаг деформации, что связано с тепловым импуль­ сом, сообщаемым валку нагретым металлом. По мере продвп-

повышается, но уже с гораздо меньшей интенсивностью. Мак­ симальная температура на контактной поверхности валка дости­ гается в плоскости выхода металла из очага деформации. За пределами очага деформации температура резко снижается в первый момент (из-за нарушения теплового контакта), а за­ тем асимптотически приближается к своему первоначальному значению. Высокая интенсивность нагрева поверхностных слоев валка подтверждается тем, что температура поверхности валка при прохождении очага деформации практически достигает мгновенного значения температуры поверхности металла в мо­ мент контакта (разность температур поверхности металла и валка не превышает 5° С).

Характер нагрева прокатного валка при деформации на воз­ духе по сравнению с вакуумом имеет принципиальное отличие. Развитый слой окалины, действие которого подобно тепловому изолятору, существенно замедляет процесс нагрева поверхности прокатного валка. Температурная кривая поверхности валка при прокатке металла на воздухе более пологая; максимальное зна­ чение температуры поверхности металла в даном случае выше. Температура поверхности валка после достижения максимума

120

падает уже в пределах очага деформации (Тф), а начиная при­ мерно с плоскости выхода металла из валков, возрастает. Та­ кой характер изменения температуры поверхности валка п ме­ талла объясняется сложной совокупностью факторов, опреде­ ляющих условия теплообмена между металлом и валком (каче­ ственные и количественные свойства окалины, изменяющиеся по мере прохождения очага деформации, влияние тепла пласти­ ческой деформации и трения, время контакта и др.).

В процессе прокатки на воздухе при наиболее высоких тем­

вые колебания возникают в слое валка не толще 5,0 мм. Различие в интенсивности нагрева тела валка при прокатке на воздухе п в вакууме показано на рис. 58, на котором видно, что повышение температуры поверхности валка в вакууме по­

чти в три раза больше, чем на воздухе.

Время охлаждения валка до начальной температуфы после окончания прокатки заготовки в вакууме, значительно выше, чем на воздухе, что связано с менее развитым процессом те­ плообмена в вакууме между валком и окружающей средой из-за практического отсутствия конвекции. Это необходимо учи­ тывать при выборе материала рабочих валков, разработке тех­ нологических режимов прокатки, а также при эксплуатации прокатного оборудования.

Типичный характер изменения температуф различных слоев металла в процессе деформации в вакууме и на воздухе пред­ ставлен на рис. 59. Процесс прокатки в вакууме сопровождается

121