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

ции самодиффузии Q0, т. е. es= - ^ - , где 0,67 ч-0,85 (в зави­

симости от типа решетки). Для случая N/N0=l, т. е. когда про­

Для решения данного уравнения относительно та необходимо знать температуру на контактной поверхности валка и величину энергии активации самодиффузии Q0. Подсчеты, проведенные по формулам В. И. Шилова, позволяют определить температуру

(63,5 ккал/г-атом); для твердосплавного материала ВКЮ Qo соответствует значению активации диффузии Q, полученному из экспериментов.

Подставляя найденные значения всех величин в выражение (45), получим, что 100%-ный обрыв связей на' поверхности валка из стали марки 9ХСВФ при прокатке вольфрама, нагретого до 1500° С, произойдет за 0,1 с, тогда как на поверхности валка из сплава ВКЮ — за 16700 с. Таким образом, на валках из стали марки 9ХСВФ за время прокатки возможен полный обрыв меж­ атомных связей и их трансляция, что и должно приводить к об­ разованию прочного соединения металл — инструмент. Это, как будет показано ниже, хорошо подтверждается интенсивно раз­ витым налипанием молибдена и вольфрама на валки в условиях прокатки в вакууме.

На поверхности валков из сплава ВКЮ теоретически при принятых условиях прокатки не может идти процесс образова­ ния активных центров, что экспериментально подтверждается высокой стойкостью этих валков против налипания.

Анализ выражения (45) показывает, что с повышением тем­ пературы прокатки резко уменьшается время активации, необ­ ходимое для разрыва 100% межатомных связей, что в свою оче­ редь должно способствовать интенсификации процесса налипа­ ния. Повышение степени деформации должно приводить к изме­ нению констант диффузии, входящих в выражение (45), в част­ ности, к увеличению предэкспоненциального множителя D0, что способствует образованию соединения металл — инструмент при гораздо меньших значениях времени активации. Уменьшение же скорости прокатки должно приводить к увеличению налипания металла на валки, так как с уменьшением скорости прокатки резко увеличивается время контактирования, что приводит к приближению и даже переходу через временной порог сцепле­ ния, определяемый временем активации.

223

2. Влияние условий прокатки в вакууме на процесс налипания

При переходе от атмосферы воздуха к вакууму различной глубины и к среде инертного газа вследствие понижения пар­ циальных давлений кислорода, азота и водорода изменяется изобарно-изометрический потенциал реакции металл— газ, яв­ ляющийся, как известно, критерием химического сродства ме­ талла к газу. Как показали приведенные выше термодинамиче­ ские расчеты, достижение безокислительных условий при высоко­ температурной обработке давлением в вакууме возможно лишь для таких металлов, как молибден, вольфрам, медь, никель и др., окислы которых обладают сравнительно высокой упруго­ стью диссоциации, соизмеримой с реально достижимым парци­ альным давлением кислорода в камере. Для металлов с весьма низкими упругостями диссоциации окислов, таких как цирко­ ний, титан, ниобий, тантал, хром, железо и др., вероятность об­ разования окисных пленок сохраняется в любом технически достижимом вакууме.

При отсутствии ■окисных пленок в условиях горячей обра­ ботки давлением в вакууме металлов с высокой упругостью диссоциации окислов создаются благоприятные условия для ад­ гезионного взаимодействия поверхностей металла и инструмента. При прокатке же. в вакууме металлов с низкой упругостью дис­ социации окислов на их поверхности всегда имеются окнсные пленки ’, препятствующие адгезионному взаимодействию мате­ риала валка с обрабатываемым металлом.

Следовательно, при горячей прокатке металлов в вакууме и в среде инертного газа большую склонность к налипанию должны обнаруживать при прочих равных условиях металлы, упругости диссоциации окислов которых соизмеримы с парци­ альными давлениями кислорода, обусловленными остаточными давлениями или чистотой инертного газа.

Приведенные рассуждения согласуются с эксперименталь­ ными данными по прокатке металлов по различным режимам на валках из стали 9Х.

При деформации молибдена, вольфрама, меди и никеля на поверхности валков образуется налипший слой, состоящий из

валках появляется тончайший слой никеля, который отпечаты­ вается на всех последующих прокатываемых образцах. Интен­ сивность образования этого слоя зависит в большой степени от

1 Следует учитывать возможность их растворения в металле при опреде­ ленных условиях.

224

температуры прокатки, обжатия, усилий прокатки и других фак­ торов. Прокатка никеля при температуре 1000°С и степени де­ формации е= 30% уже на 3-м проходе приводит к тому, что об­ разец вследствие интенсивного налипания «приваривается» к валку. Аналогичная картина наблюдается при прокатке меди при температуре 980° С и обжатии е= 45% в вакууме 1,33 Н/м2 (ІО-2 мм рт. ст.) (рис. 165).

Особенно сильно процесс налипания выражен при прокатке вольфрама и молибдена. Налипание при их деформации в ва­ кууме носит различный характер: от вырывов отдельных частиц до вырывов целых зон п областей, сопровождаемых разруше-

мнем образцов (рис. 166). В ряде случаев образец схватывается по всей поверхности с материалом валка и оковывает валок. Так, прокатка молибдена при 1150° С и е= 55% в вакууме 1,33 Н/м2 (ІО-2 мм рт. ст.) сопровождается таким сильным налипа­ нием, что образец приваривается к валку.

При прокатке вольфрама, молибдена, циркония, ниобия, ва­ надия, тантала, меди и никеля на воздухе при тех же режимах, что и в вакууме, эти металлы на валки почти не налипают, что можно объяснить наличием на поверхности обрабатываемого ма­ териала слоя окислов, надежно предохраняющих металл от не­ посредственного контакта с валком.

На основании прокатки большого количества заготовок и накопления статистических данных установлены вероятные об­ ласти налипания при деформации в вакууме различной глубины и в аргоне вольфрама, молибдена, меди и никеля, выраженные в виде графиков в координатах температура-—степень деформа­ ции (рис. 167).

На основании этих графиков можно выбрать оптимальные, с точки зрения предотвращения налипания, режимы прокатки на валках из стали марки 9Х. Например, прокатка вольфрама

на этих валках в вакууме 1,33-ІО-2 Ң/м2 (ІО-4 мм рт. ст.) при температуре 1400° С без налипания возможна только с обжа­ тиями, не превышающими 15%■ При прокатке на валках из хро­ моникелевого чугуна' по выборочным режимам налипание было менее интенсивным, чем при прокатке на стальных валках.

Из проведенного термодинамического анализа и на основа­ нии экспериментальных данных следует, что окисные пленки, предохраняющие металл от непосредственного контакта с вал­ ком, предотвращают налипание. Так как при прокатке в ваку­ уме молибдена, вольфрама, меди и никеля окисиая пленка на их поверхности практически отсутствует, то одним из путей предот­ вращения налипания является искусственное создание предохра­ нительных пленок окислов или металлов на поверхности заго­ товки или инструмента.

Другим решением проблемы является разработка оптималь­ ных, с точки зрения предотвращения налипания, режимов про­ катки.

На основании изложенного можно отметить три направления в разработке проблемы предотвращения налипания металла на валки при прокатке в вакууме:

1.Установление оптимальных режимов прокатки (среда, тем­ пература, обжатие и др.) для данного материала валков и об­ рабатываемого металла.

2.Подбор материала рабочих валков.

3.Изыскание. специальных покрытий валков и способов об­ работки их поверхности с целью создания промежуточного слоя

между инструментом и обрабатываемым металлом.

226

950 Т050 П50 Г250

Температура,°С Температура,°С

Рис. 167. Вероятные области налипания при прокатке в вакууме различ­ ной глубины:

а — вольфрам; б — молибден; s — медь; а — никель (Л — область налипания): / — ар­ гон; 2 — вакуум 1,33 Н/м2 (ІО-2 мм рт. ст.); 3 — вакуум 1,33- ІО-2 Н/м2 (ICH мм рт. ст.)

3. Выбор материала валков

Для определения стойкости валков против налипания при прокатке в вакууме применяют конструкцию сборного валка, об­ щий вид которого представлен на рис. 168. Сборный валок со­ стоит из оси 1, сменной обоймы 2 и гайки 3. Обойма посажена на ось с помощью шпонки. Ось, гайка и шпонка изготовлены из стали марки ЗХ2В8. При данной конструкции валка уменьша­ ется расход опытного материала, упрощается технология изго­ товления валков.

Стойкость валков против налипания оценивают по интенсив­ ности налипания молибдена, проявляющего наибольшую склон­ ность к этому явлению. Интенсивность налипания определяют по средней величине шероховатости поверхности прокатываемых образцов, измеряемой с помощью профилометра (например, «Орион — Гамма», Венгрия) с точностью до 0,01 мкм.

Т А Б Л И Ц А 'ІО

Характеристика валков (колец) из различных материалов 1

1 Кольца — кованые, термообработанные, за исключением колец из стали 150ХІ8Г& (литые), 150СГВЗМТ (литые, термообработанные), стеллита 250Х2-ШЗТ (литые, термо­ обработанные), чугунов (литые) н твердосплавных материалов (спеченные). Кольца из­ готовлены в ЦНИИТМАШе под руководством канд. техи. наук С. В. Маркина н А. П. Черного.

Валки, изготовленные из материалов (табл. 40), обладающих различной структурой, физико-химическими и механическими свойствами, значительно отличаются по стойкости против нали­ пания при прокатке в вакууме.

Шероховатость поверхности образцов уже иа втором-третьем проходе резко увеличивается при прокатке ііа валках из мартен­ ситных, перлитных и графитизирующихся сталей (рис. 169). Наи­ меньшая стойкость против налипания отмечена у стали марки 9ХСВФ. При прокатке на валках из этой стали уже на втором проходе средняя величина шероховатости поверхности состав-

228

ляет 5 мкм, к четвертому достигает 17 мкм, а на пятом стано­ вится равной около 30 мкм. Дальнейшая прокатка становится невозможной из-за оковывания валков деформируемым молиб­ деном. Менее выражен процесс налипания на валках из сталей марок 4Х8С2 и ШХЗМФ. При прокатке на этих валках, начиная

Номерпрохода

то то 1300 woo то woo

Температура, °С

Рис. 169. Изменение шероховатости поверхности образ­ цов молибдена при прокатке в вакууме 6,65-ІО"3 Н/м2 (5 • 10'5 мм рт. ст.), е=25%; Упр= 0,1 м/с на валках из:

со второго прохода, шероховатость молибденовых образцов мо­ нотонно возрастает до 3—4 мкм после шестого прохода. Наи­ более высокой стойкостью против налипания обладают стали мартенситно-карбидного класса (ЗХ2В8Ф, 45Х2СВ2МФ,

229

4Х2НВ4М2Ф, 4ХЗВ5МЗФ). После шестого прохода шерохова­ тость поверхности валков из этих сталей составляет (1,5— 1,75 мкм). Стали этого класса, в отличие от других, характери­ зуются большим количеством избыточных карбидов. Вероятно, это и способствует повышению их стойкости против налипания при высокотемпературной прокатке молибдена в вакууме.

Особо следует обратить внимание на поведение при прокатке чугунов. Как видно на рис. 170, вплоть до шестого прохода

Температура, °С

Рис. 170. Изменение шероховатости поверхности чугунных валков после прокатки в вакууме:

/ — стеллит; 2 — чугаль; 3 — нихард; 4 — хромомолибден; 5 — хромоникель

роховатости поверхности образца с первого по пятый проход увеличивается с 0,9 до 1,2 мкм, т. е. на 33%, а после шестого — с 1,2 до 2,2 мкм, т. е. на 83%. На некоторых чугунных валках после шестого прохода образец «приваривается» к валку.

При прокатке на валках из твердосплавных материалов на­ липание молибдена полностью отсутствует. Поверхность образца копирует поверхность валков. Так, средняя шероховатость по­ верхности валков перед прокаткой составляет 0,75 мкм, а валков из сплава ВКЮ 0,45 мкм. После прокатки' шероховатость по­ верхности образцов равна также 0,45 мкм. Высокая стойкость против налипания валков из твердосплавных материалов, оче­ видно, связана с большим количеством карбидов (WC, Сг3С2), входящих в состав этих материалов.

230

При прокатке на валках с защитными покрытиями взаимо­ действие деформируемого металла с инструментом определя­ ется видом защитной пленки и ее физико-химическими и меха­ ническими свойствами. Если защитное покрытие на валке сохра­ няется в процессе прокатки, налипание молибдена на инстру­ мент полностью отсутствует. Когда же разрушается и отслаива­ ется поверхностный защитный слой и обнажается поверхность валка, характер и интенсивность налипания определяются мате­ риалом и свойствами валка.

Температура,°С

Рис. 171. Изменение шероховатости при прокатке молибдена в вакууме 6,65 ■10~3 Н/м2 (5 • ІО-5 мм рт. ст.) на валках с электролитической обра­ боткой поверхности:

ности образцов молибдена после прокатки на валках с различ­ ными защитными покрытиями.

Покрытия на первых проходах до разрушения защитных слоев способствуют предотвращению налипания молибдена на валки. Однако при дальнейшей прокатке некоторые виды покры­ тий вследствие воздействия высоких температур (до 1500° С) и больших удельных сил трения разрушаются и отслаиваются от поверхности валка, а в ряде случаев далее переходят на об­ разец. Например, поверхность валка, подвергнутого химическому никелированию, начинает обнажаться уже после второго про­ хода и к четвертому — прокатка фактически идет на чистых вал­ ках из стали марки ЗХ2В8Ф, о чем свидетельствуют данные по средней шероховатости поверхности образцов (рис. 169, 171).

231

Аналогичная картина наблюдается при прокатке на оксиди­ рованных, фосфатированных, алюмофосфатироваиных и титанированных валках. Относительно резкое увеличение средней ше­ роховатости поверхности образцов при прокатке на валках с рассматриваемыми видами покрытии начинается после четвер­ того прохода.

Полное отсутствие налипания на всех проходах отмечается при прокатке на хромированных валках с плазменным покры­ тием окислами циркония. Однако в процессе прокатки в ваку­ уме на валках с плазменным покрытием окислами циркония

woo woo т о j3oo 1 2 0 0 т о т о

Температура, °С

Рис. 172. Изменение шероховатости при прокатке молибдена в вакууме 6,65 - 10-3 Н/м2 (5 -10“5 мм рт. ст.) на валках из стали 45Х2СВ2МФ с химикотермической обработкой поверхности:

/ — хромнрованне+цементацня; 2 — сульфатироианне; 3 — алитирование; 4 — азотирование

Zr02 постепенно переходит на поверхность образца. Этот вид покрытий только временно предохраняет инструмент от налипа­ ния. В процессе прокатки после определенного числа проходов (больше шести, как было принято в нашей методике) возможно полное снятие покрытия.

Наиболее перспективный вид покрытия — хромирование вал­ ков. Как видно на рис. 171, средняя шероховатость поверхности образцов при прокатке на этих валках не изменяется на протя­ жении всех шести проходов. После прокатки на поверхности ин­ струмента ие обнаружено никаких следов налипания. При этом поверхность образца получается хорошего качества.

Валки, подвергнутые химико-термической обработке поверх­ ности, обнаруживают повышенную стойкость против налипания. Однако поверхностный слой таких валков из-за резкого отличия его механических свойств от основного металла, как правило, уже после нескольких проходов разрушается. Так, азотирован­ ный слой разрушается и отслаивается от поверхности валка уже после двух-трех проходов, и дальнейшая прокатка фактически

232