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

во втором проходе 950—1000° С, либо за один проход при тем­ пературе 950—1000° С с обжатием 20—30%. Однако в обоих отмеченных случаях пакеты собирают особено тщательно и та­ ким образом, чтобы при нагреве и прокатке бронза и сплав ВТ6С не соприкасались (во избежание образования легкоплав­ кой эвтектики между медью и титаном).

Биметаллы ВТ6С—Х18Н10Т с двойной прослойкой из ниобия и бронзы и ВТ6С—Бр.Х08 с ниобиевой прослойкой обладают большой стойкостью при сравнительно высоких температурах.

При разрушении образцов по прослойке с уменьшением ее исходной толщины в случае, если это приводит к уменьшению ее конечной толщины (см. рис. 151, 154), прочность соединения возрастает (см. рис. 151, 152).

Изменение толщины прослойки несколько влияет на проч­ ность соединения и в том случае, когда разрушение происходит по границе слоев. Так, увеличение толщины прослойки из ти­ тана с 0,2 до 1,5 мм и из никеля до 0,4 мм приводит к сниже­ нию прочности соединения соответственно на 8,7 и 6,6% (см. рис. 153). Это, вероятно, связано с некоторым падением удель­ ного усилия и возрастанием неравномерности деформации (см. рис. 155).

Увеличение толщины прослойки из ниобия, наоборот, приво­ дит к некоторому возрастанию прочности соединения (см. рис. 153). Это, по всей видимости, вызвано увеличением удель­ ного усилия, что связано с ростом удельной толщины твердой составляющей — ниобиевой прослойки (несмотря на некоторый рост толщины пакета) и падением неравномерности высотной деформации (см. рис. 155).

Таким образом, увеличение толщины прослойки может и уве­ личивать, и уменьшать прочность соединения биметалла в за­ висимости от соотношения механических свойств прослойки и составляющих биметалла.

5. Влияние условий прокатки биметаллов в вакууме

на энергосиловые показатели процесса

На энергосиловые параметры процесса прокатки биметаллов в вакууме влияют остаточное давление, степень деформации, температура, соотношение исходных толщин составляющих, не­ равномерность деформации, состояние поверхностей контакта, наличие подслоя и другие факторы.

Изменение обжатий от 5 до 65% при прокатке биметалла ВТ6С—Бр.Х08 в вакууме 6,65- ІО-3 Н/м2(5- 10~5 мм рт. ст.) в ин­ тервале температур 500—850° С вызывает значительный рост удельных усилий и крутящих моментов (рис. 156, 157). При прокатке с обжатием 20% и температуре 700° С удельное усилие

213

составляет 425 МН/м2 (43,4 кгс/мм2), суммарный крутящий мо­ мент (МІф) 3,63 кН • м (370 кгс-м), полное давление 24,5 МН (25Т). С увеличением обжатия до 60% удельное усилие возра-

Удельное усилие возрастает также с увеличением степени де­ формации при прокатке в вакууме 6,6510_3 Н/м2 (5- ІО"5 мм рт. ст.) биметалла ВТ6С—Х08Н10Т. Например, при обжатии 20% при температуре 800° С удельное усилие составляет 565 МН/м2 (57,5 кгс/мм2), а при е=50% оно увеличивается до 882 МН/м2 (90 кгс/мм2) (на 56%).

Существенная разница в значениях удельных усилий и сум­ марных крутящих моментов при прокатке в вакууме и на воз­ духе-при небольшой степени деформации с увеличением обжа­ тия уменьшается и при относительном обжатии, равном 60— 65%, практически отсутствует.

Это объясняется тем, что при прокатке биметаллических па­ кетов ВТ6С—Бр.Х08 с малыми обжатиями на воздухе деформи­ руется в основном составляющая Бр.Х08; с увеличением обжа­ тия резко уменьшается толщина слоя Бр.Х08 и одновременно возрастают силы межслойного трения, что приводит к более рез­ кому (по сравнению с прокаткой в вакууме) возрастанию энер­ госиловых параметров.

На энергосиловые параметры процесса существенно влияет температура прокатки в вакууме (рис. 158, 159).

214

С ростом исходной, толщины мягкой составляющей и пакета в делом удельные усилия падают, причем при постоянной тол­ щине пакета (ВТ6С—Бр.Х08) это снижение происходит более плавно. При постоянной толщине твердой составляющей сниже­ нию удельного усилия способствуют одновременно два фактора: увеличение толщины пакета и мягкой составляющей. При про­ катке образцов ВТ6С—Бр.Х08 в вакууме 6,65-10~3 Н/м2 (5Х ХІО"5 мм рт. ст.) (£= 700°С; е= 30%) увеличение исходной тол­

Характер изменения крутящего момента при изменении соотно­ шения исходных толщин составляющих аналогичен изменению кривых удельных усилий.

Аналогичные характеристики эиергосиловых параметров про­ цесса установлены при прокатке биметаллических пакетов ВТ6С— Х18Н10Т. На основании опытных данных В. С. Боголю­ бов получил следующую зависимость удельного усилия Р от температуры прокатки, степени деформации и соотношения ис­

Формула справедлива для температуры прокатки от 700 до 1000° С, относительного обжатия пакета от 20 до 60%; Явтбс/Яп = 0,25 + 0,63 (Ѳ = 25-г-63%)-

215

В условиях вакуума с помощью двух силоизмерительных валков Ф. Е. Долженков с сотрудниками одновременно измерял силы трения и давления в очаге деформации при прокатке двух­ слойной полосы. При прокатке биметаллов с отношением преде­ лов текучести 0,3—0,5 со стороны твердого слоя возникает зона отставания, а со стороны мягкого слоя — зоны отставания и опе­ режения, причем угол критического сечения может достигать по­ ловины угла захвата. Такая же картина сохраняется и при от­ ключенном шпинделе валка, контактирующего с мягким слоем. Это свидетельствует о том, что в ряде случаев резерв сил тре­ ния не исчерпывается при достижении критическим углом нуле­ вого значения и устойчивый процесс прокатки возможен с отри­ цательным опережением.

Равнодействующая усилий со стороны мягкого слоя прохо­ дит вблизи центра валков, а со стороны твердого — находится от него на расстоянии, превышающем длину дуги захвата. Ко­ эффициент плеча равнодействующей усилий со стороны твердого слоя во всех исследованных случаях больше единицы и изме­ няется от 1,8—1,9 при обжатии 5% до 1,04—1,20 при обжатии 30%. Вследствие этого момент прокатки на валке, контакти­ рующем с мягким слоем, близок к нулю, и весь момент практи­ чески передается через валок, который контактирует с твер­ дым слоем.

Например, при прокатке биметалла титан — сталь коэффи­ циент трения по мягкому слою в 2,5—3,0 раза меньше, чем по твердому. При прокатке монометаллических полос стали и ти­ тана коэффициенты трения в этих условиях изменяются при­ мерно в одних и тех лее пределах: 0,30—0,44. Отсюда следует вывод, что при прокатке двухслойных полос коэффициент внеш­ него трения зависит не только от фрикционных свойств прокаты­ ваемых металлов и валков, но и в значительной мере от кине­ матики слоев полосы и динамики процесса.

Поэтому значения коэффициента трения, определенные при прокатке монометаллов, не могут быть , использованы без соот­ ветствующих корректив для расчета энергосиловых параметров прокатки в вакууме слоистых материалов.

6. Неравномерность деформации при прокатке в вакууме биметаллов

Совместная пластическая деформация разных металлов очень неравномерна, что объясняется большими различиями в физико­ механических свойствах соединяемых материалов. Схема дефор­ мации двухслойного пакета в случае, когда плакирующий слой обладает меньшим сопротивлением деформации, чем основной, показана на рис. 160.

Для оценки степени неравномерности деформации применяют следующие коэффициенты:

216

по высоте

по ширине

■ Ь0 .

/с „ = ßn ■ ßo ’

по длине

Связь между этими коэффициентами установлена на основа­ нии закона постоянства объема

к=кшкл.

Коэффициент К наиболее широко применяют в практике, осо­ бенно при подсчете начальной толщины плакировки для получе­ ния заданной конечной толщины.

Ввиду сложности теоретического определения коэффициентов неравномерности деформации их в каждом конкретном случае определяют опытным путем.

G

Рис. 160. Схема деформации двухслойного пакета для случая, когда плакирующий слой обладает меньшим сопротивлением деформации, чем основ­ ной:

а — пакет; б — раскат (стрелкоіі показано направление прокатки)

Вследствие того что все характерные особенности при полу­ чении биметалла и дальнейшей деформации наиболее отчетливо проявляются, когда свойства компонентов значительно различа­ ются, рассмотрим неравномерность деформации на примере би­ металла медь—сталь. Данная композиция удобна для изучения еще и потому, что ее переходная зона представляет собой непре­ рывный ряд твердых растворов, и при нагреве (в процессе от­ жига) в ней не образуется хрупких фаз и легкоплавких эвтектик.

217

Неравномерность деформации биметалла медь — сталь при его прокатке в вакууме и при последующей раскатке в ряде слу­ чаев приводит к тому, что основная доля деформации пакета приходится на долю медной составляющей, сталь же деформи­ руется весьма незначительно. Это достаточно наглядно иллюст­ рируется зависимостями, приведенными на рис. 161. В част­ ности, увеличение обжатия при прокатке биметалла вызывает в общем возрастание деформации обеих составляющих. Однако

медная составляющая деформируется значительно интенсивнее, причем это видно не только при сравнении высотных деформа­ ций (частных обжатий составляющих), но и при сравнении продольной и поперечной деформации.

На неравномерность деформации значительно влияет темпе­ ратура прокатки в вакууме биметалла. Как показано на рис. 162, повышение температуры прокатки от 750 до 950° С при об­ жатии 25% приводит к значительному увеличению деформации медной составляющей и уменьшению стальной. Следовательно, коэффициент неравномерности деформации, при повышении тем­ пературы прокатки в вакууме будет возрастать. Как видно на рис. 163, для всех соотношений толщин составляющих коэффи­ циент неравномерности деформации биметалла параболически возрастает с повышением температуры прокатки. Однако при

218

соотношении толщин меди и стали, близких к 1, он увеличива­ ется всего лишь в 2 раза, в то время как при тонкой плакировке (сталь 1,5, медь 10 мм) — в 4,6 раза. Это свидетельствует о зна­ чительном влиянии соотношения толщин твердой и мягкой со­ ставляющих на неравномерность деформации. В данном случае на процесс деформации пакета воздействуют два противополож­ ных фактора: температурное разупрочнение металлов и измене­

изменения условий работы готового биметалла и в ряде случаев невозможность его дальнейшего использования.

Одним из основных факторов, влияющих на изменение не­ равномерности деформации, является соотношение толщин твердой и мягкой составляющих в пакете. Как видно на рис. 164, при соотношении, равном или близком к 1, коэффициент нерав* номерности деформации находится в пределах от 2,5 до 3,5. При уменьшении толщин твердой составляющей резко возрастает ко­ эффициент неравномерности деформации.

При уменьшении толщины мягкой составляющей коэффици­ ент неравномерности деформации отличается от 1 и при очень малых толщинах меди может стать меньше единицы. Это озна­ чает, что чем тоньше стальная плакировка на меди, тем более неравномерной будет деформация, и наоборот, — при уменьше­

219

нии толщины меди можно достичь условий равномерной дефор­ мации пакета. Это возможно в том случае, когда вследствие влияния соотношения /д//гср удельные усилия меди и стали будут равны или близки одно к другому.

Г Л А В А X

НАЛИПАНИЕ МЕТАЛЛА НА ВАЛКИ

ПРИ ПРОКАТКЕ В ВАКУУМЕ

Из-за особых условий, которые возникают при высокотемпе­ ратурной обработке в вакууме на контактных поверхностях ме­ талла и инструмента, (практическое отсутствие окисных пленок, высокие температуры, большие удельные усилия и силы трения и др.), повышается роль сил молекулярного взаимодействия. В результате создаются благоприятные условия для образова­ ния металлической связи металл — инструмент, проявлением ко­ торой служит налипание металла на валки. Это явление вызы­ вает необходимость частых перевалок и перешлифовок рабочих валков II не позволяет получить продукт с высоким качеством поверхности. В ряде случаев налипание металла на валки до­ стигает такой интенсивности, что прокатка в вакууме становится невозможной.

В связи с этим выбор материала инструмента и разработка способов подготовки его поверхности при высокотемпературной прокатке в вакууме приобрели исключительно важное значение.

220

1. Механизм налипания металла на валки

Механизм налипания металла на валки можно считать по­ добным рассмотренному выше механизму схватывания состав­ ляющих биметаллов при их совместной пластической деформа­ ции.

Основное различие состоит в том, что при налипании физиче­ ский контакт между металлом и инструментом возникает цели­ ком за счет пластически деформирующегося металла, нагретого до высоких температур. Инструмент, как правило, — относи­ тельно холодный, деформируется упруго.

Контактирующие поверхности металла и валка сближаются при входе металла в очаг деформации. В течение второй стадии, так же, как и в процессе схватывания составляющих биметалла, происходит взаимодействие металла и инструмента, и между ними возникают прочные связи.

Вслучае соединения металла и инструмента, поверхности которых свободны от каких бы то ни было пленок, это взаимо­ действие сводится к коллективизации валентных электронов по­ ложительными ионами, вследствие чего между системой атомов, образующих кристаллическую решетку, возникает прочная ме­ таллическая связь. При этом коллективизированные электроны притягивают положительные ионы, которые образуются из ато­ мов при отделении наружных валентных электронов, уравнове­ шивая их взаимное отталкивание, и таким образом удерживают их на определенных «равновесных» расстояниях один от другого.

Вслучае взаимодействия инструмента с различными защит­ ными покрытиями и прокатываемого металла с чистой поверх­ ностью или имеющего окисную пленку квантовые процессы сво­ дятся к образованию прочных связей, в основном ковалентного или координационно-ковалентного типа.

Когда тип и параметры решеток металла и валка не иден­ тичны, увеличение кристаллографического несоответствия (угла разориентировки, разницы в параметрах решетки), вызывает увеличение энергии активации, необходимой для образования прочной связи.

Таким образом, чем больше различаются поверхности кон­ тактирующего металла и валка по типу и параметрам решетки, тем меньше возможностей для образования соединения металл— инструмент.

Кроме того, когда тип и параметры решеток соединяемых ма­ териалов не идентичны, сила связей внутренней поверхности раздела зависит не только от энергии связи между атомами в металлах или защитных пленках, но и от направленности этих связей по отношению к основной решетке и от числа ближай­ ших соседей. В связи с этим материалы с сильными ковалент­ ными связями не будут образовывать с металлами сцепления,

221

так как почти невозможно достигнуть точного кристаллографи­ ческого соответствия решеток относительно внутренней поверх­ ности раздела.

На третьей стадии, при выходе металла из очага деформа­ ции, отрываются поверхностные частицы деформируемого метал­ ла. Причем из-за упрочнения (наклепа) поверхностных слоев, мостики сцепления разрушаются по глубине слоя более нагре­ того и, следовательно, менее прочного металла.

Кинетика образования или разрыва связей образующихся пар при взаимодействии металла с инструментом в условиях прокатки в вакууме в некотором приближении, так лее как и при схватывании составляющих биметаллов, моясет быть описана уравнением (37), в которое входят параметры, определяемые экспериментально.

Константы диффузии деформируемого металла в инструмент определяются для случаев, когда наблюдается значительное налипание и когда оно отсутствует.

Ниже рассмотрены данные опытов, проведенных на металлах с повышенной склонностью к налипанию на инструмент. С этой целью использовали изотоп вольфрама 185, имеющий более удобные ядерные и физико-химические характеристики, чем ра­ диоактивный изотоп молибдена.

При подборе материалов валков принимали во внимание сле­ дующее. Молибден и вольфрам обладают большим структурным соответствием с чугунными и стальными материалами, но сильно отличаются по типу связей, например, от твердосплавных мате­ риалов. В связи с изложенным и на основании эксперименталь­ ных данных были выбраны валки из стали марки 9ХСВФ, от­ личающейся низкой стойкостью против налипания, и валки из твердосплавного материала ВК10 с высокой стойкостью против налипания.

Температурная зависимость коэффициента диффузии для стали марки 9ХСВФ выражается уравнением

(42)

Аналогично для сплава ВКЮ

(43)

Решим уравнение (37) относительно та:

. {44)

Величину ба (энергия отрыва единичного атома с поверх­ ности) можно сопоставить с энергией сублимации es. В свою очередь, энергия сублимации пропорциональна энергии актива-

222