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

гелия — в 1,3—2,7 раза, при прокатке на воздухе — в 2,1— 18 раз. Данные газового анализа показывают, что нагрев цир­ кония в заданных условиях сопровождается преимущественным поглощением кислорода, который, по данным Де Бура п Фаста, способен растворяться до 40% (ат.) без образования повой фазы; содержание же азота в металле практически остается на уровне исходного.

Рассматривая изменения мнкротвердостп по высоте образ­ цов циркония, можно видеть, что глубина газонасыщения' ме-

талла увеличивается с повышением температуры нагрева и дав­ ления газов. Это хорошо согласуется с результатами газового анализа.

На рис. 12 представлены кривые изменения мнкротвердостп по толщине при нагреве в вакууме 1,33 Н/м2 (10~2 мм рт. ст.), 1,33-ІО-2 Н/м2 (ІО-4 мм рт. ст.), в среде гелия и на воздухе, которые показывают, что насыщение циркония газами резко увеличивается при переходе от вакуума 1,33- ІО-2 Н/м2 (ІО-4 мм

Приведенные данные показывают, что применение низкого вакуума и среды инертного газа значительно уменьшает ско­ рости процессов взаимодействия циркония с активными газами, но все же не предохраняет металл от интенсивного окисления и газонасыщения.

52

Т А Б Л И Ц А IS

Проникновение газовых примесей в цирконий при нагреве в различных средах

ствия циркония с газами. Скорости окисления и диффузии га­ зов в глубь металла резко увеличивались при нагреве на воз­ духе до температур, превышающих температуру аллотропиче­ ского превращения (862°С). Особенно сильный рост окисления и газонасыщеиня наблюдался при температурах выше 1100° С, при которых нагреваемый образец покрывался белым слоем окалпмы, имеющим модификацию двуокиси циркония, которая хрупка, пориста и легко отслаивается от поверхности металла.

нейный (после первого часа выдержки при указанной темпера­ туре); увеличение времени выдержки с 15 мин до 1 ч практиче­ ски мало сказывается на изменении массы, что характеризует защитные свойства образующейся при этом окисной пленки, прочно связанной с металлом. При дальнейшем увеличении времени выдержки резко возрастают скорости взаимодействия циркония с воздухом, что характеризует потерю пленкой защит-

53

ных свойств. При этом пленка становится характерной для мо­ ноклинной модификации белого или бело-желтого цвета. Таким образом, при нагреве на воздухе тетрагональная модификация окпсной пленки иа циркониевых образцах переходит в моно­ клинную при 1000° С после выдержки порядка 1 ч, при 1100° С — после выдержки в течение 15 мин.

При нагреве в вакууме 1,33—1,33 ■10~2 Н/м2 (ІО-2—ІО-4 мм рт. ст.) изменение массы со временем становится незначитель­ ным, характер кинетических кривых указывает на защитные свойства образующихся при этом окисиых пленок: при нагреве в вакууме 1,33-ІО-2 Н/м2 .(ІО-4 мм рт. ст.) после продолжи­ тельного времени выдержки (порядка 2 ч) на металле появ­ ляется прозрачная тончайшая пленка золотистого цвета, сквозь которую видна зернистая структура основного металла. При нагреве в вакууме 1,33 Н/м2 (ІО-2 мм рт. ст.) пленка имеет темно-серый цвет, характерный для тетрагональной модифика­ ции двуокиси циркония. Можно полагать, что тонкие окпсные пленки, образующиеся при нагреве в вакууме и обладающие защитными свойствами, состоят в основном из тетрагональной модификации Zr02, устойчивой в выбранном интервале температур.

Растворение газовых примесей в цирконии при нагреве сильно изменяет структуру металла.

Микроструктуры металла и его поверхностных слоев после нагрева по различным режимам приведены на рис. 14—23, на которых видно, что структура исходного металла — полиэдри­ ческая и мелкозернистая со средним диаметром зерна порядка 15 мкм, мало изменяется при нагреве в различных средах до температуры полиморфного превращения (рис. 14—19, 22). На­ грев циркония в ß-областп (от 900 до 1200° С) вызывает рез­ кое-увеличение зерна и изменение его формы.

Сравнение микроструктур циркония, нагретого в различных •средах, выявляет характерную полосчатую структуру газонасы­ щенных слоев металла. У циркония, нагретого на воздухе до 1200° С, подобная структура отмечена по всему сечению, что свидетельствует о проникновении кислорода на всю толщину образца (рис. 19).

После нагрева до температур 900—1200°С в вакууме 1,ЗЗХ X1Ö-2 Н/м2 (ІО--4 мм рт. ст.) структура металла характери­ зуется крупными зернами неправильной конфигурации, в кото­ рых можно наблюдать иглы ß-фазы (рис. 23), и является ти­ пичной для сравнительно чистого циркония после нагрева выше температуры превращения. В остальных случаях структура ме­ талла неоднородна по сечению и переходит от ярко выражен­ ной полосчатой в поверхностных газонасыщенных слоях к ха­ рактерной для чистого циркония крупнозернистой структуре (рис. 17).

54

Рис. 14. Исходная микрострук­ тура циркония (отжиг при тем­ пературе 650° С, 2 ч). Х200

55

а— середина; б — поверхностный слой

Рис. 23. Микроструктура циркония

57

По микроструктурам поверхностных слоев металла (рис. 15— 21) можно судить о появлении различных по толщине и строе­ нию окисных пленок на цирконии в результате взаимодействия металла с окружающей средой в зависимости от условий нагрева.

На рис. 24, а и б и 25, а приведены микроструктуры тантала и ниобия, показывающие, что при нагреве в низком вакууме и в гелии эти металлы значительно насыщаются газами, что вид­ но по образованию второй фазы. При обработке в высоком вакууме 6,65 -ІО”3 Н/м2 (5 -ІО-5 ммрт. ст.) газонасыщейне ме­ таллов практически отсутствует.

Результаты изучениякинетики окисления и газонасыщения металлов с низкой упругостью диссоциации окислов (цирко­ ний, ниобий, тантал и ванадий) в условиях горячей обработки давлением показывают, что эти металлы необходимо обрабаты­ вать в высоком вакууме 1,33-ІО-2—1,33 -10-3 Н/м2 (ІО-4— ІО-5 мм рт. ст.), так как только при достижении высокого ва­ куума можно говорить о практическом отсутствии взаимодей­ ствия этих металлов с активными газами.

В последние годы в СССР наряду с пластической деформа­ цией металлов в вакууме все больше развивается метод обра­ ботки давлением в среде инертных газов (аргон, гелий и др.).

Необходимо учитывать, что даже после глубокой очистки инертные среды содержат значительное количество примесей активных газов (кислорода, азота, водорода), причем с умень­ шением чистоты инертного газа парциальные давления приме­ сей возрастают. В инертном газе чистотой 99,98; 99,99 и 99,995% парциальные давления газовых примесей соответст­ венно равны:

Следовательно, даже высокочистый инертный газ соответст^ вует по содержанию примесей низкому вакууму 5,05 Н/м2 (3,8X X ІО-2 мм рт. ст.).

Содержание примесей в инертном газе чистотой 99,995% по сравнению с их содержанием в атмосфере воздуха уменьшается

в инертных средах, необходимо снизить их парциальные давле­ ния, т. е. требуется непрерывная очистка инертного газа, а так­ же его постоянная циркуляция.

58

Однако при оценке эффективности применения вакуума ■определенной глубины или инертного газа данной степени чи­ стоты необходимо учитывать влияние общего давления газовой среды на механизм взаимодействия металла с остаточными ак­ тивными газами.

При обработке в среде инертного газа общее давление со­ ставляет 10,1 ■104 Н/м2 (7,6- 102 мм рт. ст.) пли несколько выше, в то время как общее давлениеостаточных газов в вакуумных системах современных прокатных станов равно 1,33-ІО“2— 1,33-10_3 Н/м2 (ІО-4—ІО-5 мм рт. ст.). Такая разница в общих давлениях средыпри обработке в инертном газе и в вакууме обусловливает различие в режимах' истечения газов и в дли­ нах свободного пробега молекул, что приводит к изменению ме­ ханизма подвода молекул активных газов к поверхности ме­ талла. Это в свою очередь может привести к некоторому снижению концентрации молекул кислорода на поверхности ме­ талла при обработке в среде инертного газа по сравнению с обработкой в вакууме при равных парциальных давлениях кис­ лорода. Такое изменение концентрации кислорода на поверхно­ сти металла может обусловить различие в кинетике взаимодей­ ствия металлов с активными газами в вакууме и в инертной среде. Для выяснения особенностей механизма взаимодейст­ вия металлов с активными газами инертной среды в условиях обработки давлением требуются специальные исследования. В настоящее время эти работы проводятся А. Я- Борисовым, В. И. Шекаловым, М. А. Герцык и др.

Вопрос о применении вакуума различной глубины пли сре­ ды инертного газа при горячей деформации должен решаться дифференцированно, в зависимости от природы обрабатывае­ мого металла, его исходной чистоты, назначения, размеров полуфабриката или готового изделия. При окончательном реше­ нии этого вопроса необходимо учитывать результаты сопоста­ вления технико-экономических показателей анализируемых про­ цессов.

Как показано в данной главе, вольфрам, молибден, рений, медь, никель и другие металлы, обладающие высокой упруго­ стью диссоциации окислов, целесообразно деформировать в низ­ ком вакууме, который обеспечивает безокислительные условия их обработки. Можно проводить горячую деформацию этих ме­ таллов и в инертной среде при низком содержании газовых примесей. Однако эти же металлы, идущие на изготовление де­ талей электровакуумных приборов, необходимо обрабатывать в высоком вакууме, обеспечивающем дополнительную дегаза­ цию металлов.

Ниобий, тантал, ванадий, цирконий, титан и другие металлы с низкой упругостью диссоциации окислов, растворяющие зна­ чительное количество примесей внедрения, целесообразно де­ формировать в высоком вакууме.

60

ние іі механизм образования окисных пленок на металлах. М., Изд-во АН

СССР, 1959. 195 с. с ил.

Г Л А В А IV

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ НАТЕКАНИЯ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ С ГАЗАМИ

На интенсивность взаимодействия металлов с газами суще­ ственно влияет скорость натекания газов в вакуумированный объем.

Скорость натекания определяется из выражения1

1 U ’

где V — изолированный объем;

Др — изменение давления в объеме за время At.

Скорость натекания обусловлена главным образом совер­ шенством вакуумной системы и является практически постоян­ ной величиной для данного вакуумного устройства.

С увеличением натекания интенсивность возрастания скоро­

61