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

(зон твердения). По данным Ф. Е. Долженкова, при прокатке титана в вакууме и на воздухе при повышенных температурах (выше полиморфного превращения) опережение значительно падает (рис. 94). С уменьшением температуры ниже темпера­ туры превращения наблюдается значительный рост опережения.

Повышение температуры сопровождается понижением опереже­ ния во всех средах. С увеличением степени деформации опереже­ ние при прокатке в вакууме различной глубины и на воздухе значительно возрастает (рис. 96).

Характер изменения уширения при прокатке металлов в раз­ личных средах аналогичен закономерностям в изменении коэф­ фициента трения и других параметров при переходе от воздуха к вакууму различной глубины (рис. 97).

152

Контактные напряжения при пластической деформации. М., «Металлургия»,

Г Л А В А VIII

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПРОКАТКИ В ВАКУУМЕ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1. Содержание газов

Применение вакуума при горячен обработке давлением, как отмечено выше, не только предохраняет деформируемые металлы от газонасыщения, но и в определенных условиях обеспечи­ вает их дополнительную рафинировку.

Как видно из табл. 25, при прокатке меди и никеля уже в вакууме 1,33 Н/м2 (ІО-2 мм рт. ст.) не происходит насыщения примесями внедрения.

Однако при обработке таких металлов, как ниобий, цирко­ ний, тантал, ванадий в инертной среде и в низком вакууме содержание газов по сравнению с исходным возрастает, образу­ ется газоиасыщенный слой (табл. 26).

Очистка металлов от вредных примесей возможна при деформации в высоком вакууме, когда равновесная концентра­ ция газа меньше его концентрации в металле.

Если металл в исходном состоянии содержит относительно много газов, то при прокатке в высоком вакууме происходит значительная его дегазация, а при прокатке на воздухе — сравнительно небольшое загрязнение примесями внедрения. Высокочистый металл слабо очищается при деформации в высо­ ком вакууме и значительно насыщается газами при прокатке на воздухе.

Это положение хорошо иллюстрируют данные табл. 27 по содержанию газовых примесей в относительно загрязненном

153

Т А Б Л И Ц А 25

Содержание газов в никеле и меди, прокатанных в различных средах

154

Продолжение табл. 26

1 По данным В. М. Амоненко и др.

Т А Б Л И Ц А 27

Содержание газов в вольфраме, прокатанном в вакууме и на воздухе (по данным Я. Б. Гуревича и др.)

рт. ст.)

155

металлокерамическом вольфраме п высокочнстом вольфраме зонной электроннолучевой плавки.

Очистка при прокатке в высоком вакууме наблюдается на вольфраме, молибдене, стали и других металлах.

Дегазация при прокатке в вакууме может происходить при нагреве металла не только перед обработкой, но и непосред­ ственно в процессе пластической деформации.

Дополнительная дегазация (водорода) в процессе деформа­ ции получена В. М. Амоненко и Л. И. Рябчиковым во время кручения проволоки изниобия в вакууме 1,33-ІО“3 Н/м2

Рис. 98. Вакуумный прокатный стан дуо-170 с установкой для анализа среды:

(10~5 мм рт. ст.) при повышенных температурах. Повышение остаточного давления в области предела текучести при испыта­ нии на растяжение молибденовых образцов в вакууме 1,33 • 10—8 Н/м2 (10-10 мм рт. ст.) обнаружили сотрудники калифорнийской группы по исследованию космоса (США).

Дегазацию при нагреве и горячей прокатке в вакууме ис­ следуют с помощью масс-спектрометрического метода.

Рассмотрим результаты анализа газов при прокатке сплавов на вакуумном прокатном стане дуо-170 ФТИ АН УССР, уста­

и охлаждении проводили на сплавах, химический состав которых приведен в табл. 28.

Слитки сплавов, выплавленные в вакуумной индукционной печи, прокатывали на пруток сечением 17X34 мм с последую­ щим отжигом в течение 1 ч при температуре 1100° С.

156

Температура нагрева перед прокаткой составляла 1100° С, продолжительность нагрева 15 мин, скорость прокатки 0,1 м/с, степень деформации 25%. Перед прокаткой заготовки промывали в ацетоне и предварительно выдерживали в вакууме до 40 мин.

На рис. 99—101 представлено изменение ионных токов эф­ фективных масс 2, 18, 28, 28, 32 и 44, идентифицируемых как

положительные ионы соответственно НТ, Н20 +, СО+, N3". ОТ и СО^.

Весь процесс нагрева, прокатки и охлаждения во времени разделен на четыре периода: I — поступление заготовки в нагре­ вательную печь; II — нагрев заготовки; III — прокатка; IV — охлаждение.

В первом периоде повышаются парциальные давления всех компонентов газовой смеси, кроме углеводородов, что связано, видимо, с поверхностными эффектами, присутствием адсорбиро­ ванных молекул п т. д.

Второй период характеризуется более интенсивным удале­ нием водорода. Это явление можно объяснить тем, что коэф­ фициент диффузии водорода в никеле при температуре 1100° С равен 2,05-ІО-4 см/с, а, например, окиси углерода 3,8-ІО-7 см/с.

Появление минимума перед вторым периодом на кривой изменения ионного тока 2Н+, по-видимому, связано с двумя

противоположно направленными процессами — удалением по­ верхностно адсорбированного водорода п водорода, находя­ щегося в твердом растворе.

Характер изменения хода кривых изменения ионного тока 28, 32 н 44 эффективных масс объясняется малой скоростью диф­ фузии и устойчивостью окислов и нитридов.

Из сплавов Н29К18 и НИ ВО-З удовлетворительно удаля­ ются Но, СО и N2 при принятых условиях нагрева в вакууме. Для удаления указанных газов из сплава Н42 требуется больше времени (см. рис. 99).

157

В третьем периоде (прокатка) происходит дополнительное выделение газов из сплавов, что характеризуется наличием максимумов на кривых. Например, из сплава Н29К18 (см.

рис. 100) при прокатке удаляется 1/65 часть от всего количества водорода, удаленного при нагреве, прокатке и охлаждении. Следовательно, процесс деформации в вакууме данных сплавов интенсифицирует дегазацию. Наличие эффекта, названного деформационной дегазацией, подтверждается тем, что с пониже­ нием степени деформации во время прокатки уменьшается

игазовыделение, так как в очаге деформации падает давление

исокращается поверхность обрабатываемого металла.

Указанный эффект деформационной дегазации в вакууме можно объяснить изменением состояния сплавов при деформа­ ции: взаимодействием дислокаций с примесями, возникновением дополнительных напряжений, плоскостей скольжения, новых границ зерен, блоков, вскрытием поверхностей и др., в резуль­ тате чего образуются пути для более легкой диффузии.

Сопоставление эффективности каждого периода показывает, что основная часть газов удаляется при нагреве. Однако такой вывод нельзя распространять на все металлы. Дело в том, что с повышением температуры в процессе нагрева окисление

158

становится термодинамически менее вероятным при условии, когда изобарно-изотермический потенциал стремится перейти (или переходит) в область положительных значений (см. гл. I). В этом случае равновесное состояние наступает при повышен­ ном парциальном давлении кислорода, при пониженном же парциальном давлении окисление менее интенсивно и возможна дегазация металла.

Это обусловлено тем, что суммарная скорость реакции окисления повышается до известного максимума и далее по­ нижается до нуля при температуре равновесия, когда термо­

диссоциации окислов ускорится, и, наоборот, при охлаждении металла увеличится термодинамическая вероятность образова­ ния окислов. В период нагрева газы могут наиболее интенсивно поглощаться, а не удаляться, как отмечено выше для сплавов.

Время, мин Время, мин

Такое состояние наблюдается, например, при нагреве титана, когда не достигается равновесное состояние и AZ имеет отрица­ тельное значение.

159

В четвертый период — охлаждения сплавов после прокатки снижается интенсивность ионных токов всех масс, при этом наиболее быстрое снижение -наблюдается у водородного пика.

Подобный же характер выделения газов установлен у сплавов на основе ниобия Б15Т5М (14,4 Ті, 5,5 Mo, остальное ниобий) (рис. 102) и Б15Т5Ф (14,9 Ті, 5,0 V, остальное ниобий).

Результаты масс-спектрометрического исследования под­ тверждают данные газового анализа сплавов в исходном состоя­ нии и после прокатки в вакууме 1,33- ІО-3 Н/м2 (ІО-5 мм рт. ст.) и на воздухе (табл. 29). У более активных сплавов (на основе ниобия) значительно изменяется содержание газов в зависимо­ сти от среды прокатки по сравнению со сплавами на основе железа и никеля.

160

2. Структура

Различное содержание примесей внедрения в металлах и сплавах, прокатанных в разных средах, существенно изменяет их структуру и физико-механические свойства.

Практическое отсутствие газоиасыщенпя металлов, обладаю­ щих значительной растворимостью примесей внедрения (ниобий, тантал, ванадий), после горячей прокатки в вакууме обусловли­ вает незначительное содержание второй фазы (соединений типа нитридов, оксидов, гидридов), более равномерное распределение примесей, образование более однородной структуры по сравне­ нию со структурой металла, прокатанного на воздухе. Это одно из существенных преимуществ метода горячей пластической деформации в вакууме, по сравнению с деформацией на воздухе.

На рис. 103 представлены микроструктуры образцов ниобия и тантала после прокатки в вакууме различной глубины, в атмо­

прокатанных в других средах, содержат незначительное количе­ ство посторонних включений. Присутствие второй фазы и микропор в образцах, прокатанных в гелии, в низком вакууме и особенно на воздухе, является следствием загрязнения металла

и в гелии, расположены преимущественно по границам зерен. Повышение температуры прокатки в исследуемом интервале незначительно сказывается на изменении характера микрострук­ тур ниобия при прокатке в низком вакууме и в гелии (см. рис. 103). При прокатке на воздухе повышение температуры вызывает значительное увеличение количества второй фазы. По­ вышение степени деформации приводит к укрупнению частиц

этой фазы.

На рис. 104 видно, что по сравнению с исходными данными после горячей прокатки в вакууме 6,65 • 10_3 Н/м2 (5 *10~5 мм рт. ст.) количество посторонних включений в металле значи­ тельно сократилось.

В металле, прокатанном в высоком вакууме, наряду с умень­ шением газоиасыщения наблюдается также перераспределение

и др.), растворимость примесей внедрения в которых чрезвы­ чайно мала, после деформации в вакууме незначительно отлича­ ется от структуры этих металлов, прокатанных в воздушной среде (рис. 105).

Для выявления загрязнений вольфрама и молибдена ис­ пользуют; методику, предложенную Мюллером: прокатанный

И Заказ ЛР9 510 161

.