книги из ГПНТБ / Вакуумные прокатные станы

На рис. 106 схематично представлена секция рольганга, состоящая из восьми роликов. В конструкциях вакуумных про­ катных станов, имеющих целый ряд рабочих камер, аналогичные секции стыкуются.

Однако в настоящее время одним из основных применяю­ щихся средств транспортировки остаются толкатели.

Смазка узлов вакуумных прокатных станов

В обычных прокатных станах применяют два вида смазки: жидкую (минеральные масла) и густую (консистентные смазки). Однако в условиях вакуума и повышенных температур давление насыщенных паров смазочных масел значительно выше созда­ ваемого вакуума, поэтому обычное смазочное масло при отсут­ ствии специальных мер испаряется с большой скоростью и под­

с этим возникает проблема смазки трущихся поверхностей дета­ лей вакуумных прокатных станов.

Проведен ряд исследований с целью разработки новых видов смазок, способных надежно работать в условиях высоких темпе­ ратур в вакууме [53, 80]. Установлено, что вакуум увеличивает скорость испарения летучих компонентов смазки и приводит к по­ тере поверхностных окисных пленок [99]. В прокатных станах можно применять следующие смазки: масла и консистентные смазки, сухие пленочные смазки, самосмазывающиеся материалы, мягкие металлические пленки.

Масла и консистентные смазки выбираются в соответствии с диапазоном их рабочих температур, материалом трущихся пар, удельных давлений и давления насыщенных паров смазочных масел. Однако наличие летучих компонентов масел в вакууме может оказывать нежелательное действие на работающие или

150

К сухим пленочным смазкам относятся графит, дисульфид молибдена. Особенностью этих смазок является очень небольшое давление насыщенных паров или отсутствие его. Испытания по­ казали малый срок службы этих смазок, что требует частой раз­ борки оборудования, чтобы иметь доступ к смазываемым по­

свинцовистые бронзы). При испытаниях лучшие результаты были получены с тефлоновыми соединениями, которые работали от 3000 до 5000 ч. Но эти материалы имеют малую несущую способ­ ность и восприимчивы к ударной нагрузке. При увеличении ударной нагрузки материал не выдерживал и 100 ч.

В качестве мягких металлических пленок может применяться пленка легко отделяемого материала, такого, как серебро. При испытаниях несмазываемых подшипников, где дорожки качения шариков были посеребрены, срок службы получен 2000 ч.

Исследования, проведенные Клаусом [79] и др., показывают, что в вакууме при температуре меньше 38° С обычные смазки мед­ ленно испаряются в течение 1000 ч работы, но при высоких тем­ пературах испарение ускоряется очень интенсивно. Сухие смазки при низкой температуре служат меньше, чем обычные смазки. Зато при высоких температурах срок их службы будет больше.

Для применения в качестве смазки графита требуется слой по­ глощенного пара. Опыты в вакууме, проведенные Сэведжем [93],

Для MoS2 не требуется слоя поглощенного пара. Исследование показало, что на дисульфиде молибдена имеется поглощенный слой серы, который возникает в процессе первоначального действия скольжения. Этот слой необходим для проявления смазывающих свойств MoS2 в вакууме при высоких температурах. Однако при­ менение MoS2 в качестве высокотемпературной смазки в вакууме

в вакууме, что значительно сокращает потери смазки на испарение.

151

Г л а в а V.

ВАЛКИ ДЛЯ ПРОКАТКИ В ВАКУУМЕ

Промышленное внедрение высокотемпературной деформации в вакууме встречает значительные трудности из-за налипания де­

тактных поверхностях металла и инструмента создаются бла­ гоприятные условия для образования металлической связи ме­ талл—инструмент, проявлением которой является налипание металла на валки. Налипание металла на инструмент при про­ катке в вакууме вызывает необходимость частых перевалок и пере­ шлифовок рабочих валков и не позволяет получить изделие или полуфабрикат с высоким качеством поверхности. В ряде случаев налипание металла на валки достигает такой интенсивности, что прокатка становится невозможной. В связи с этим проблема материала инструмента и способов подготовки его поверхности приобрела исключительное значение. Решение ее возможно только на основании всесторонних исследований. При этом необходимо учитывать высокие требования, предъявляемые к валкам при обработке тугоплавких металлов: сохранение высокой твердости поверхности, способность выдерживать высокие удельные давле­ ния, термо- и жаростойкость.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ НАЛИПАНИЯ МЕТАЛЛА НА ВАЛКИ

Налипание металла на валки представляет собой особый вид соединения разнородных металлов, образующегося в результате взаимодействия пластически деформируемого металла, нагретого до высоких температур, и упруго деформируемого инструмента, как правило, относительно холодного.

Проведенные экспериментальные исследования, а также совре­ менные представления о силах, вызырающих образование как простых, так и сложных соединений, могут быть положены в ос­

152

На основании анализов экспериментальных данных процесс налипания металла на валки можно разделить на три стадии:

сближение контактирующих поверхностей металла и валка при входе в очаг деформации на расстояние, соизмеримое с пара­ метрами кристаллических решеток;

взаимодействие металла и инструмента, приводящее к об­ разованию между ними прочных связей;

разрушение связей в поверхностных слоях соединения при выходе металла из очага деформации.

При прокатке в вакууме физический контакт происходит за

электронных орбит, способствует проявлению сил межатомного взаимодействия. На этой стадии из элементарных процессов важ­ ную роль играют процессы электростатического взаимодействия. Взаимодействие электронов и ядер в молекуле можно считать

зарядов.

На второй стадии при образовании прочного соединения опре­ деляющую роль играют квантовые процессы электронного взаимо­ действия. В случае соединения металла и инструмента, поверх­ ности которых свободны от каких бы то ни было пленок, эти про­ цессы сводятся к коллективизации валентных электронов поло­ жительными ионами, вследствие чего между системой атомов, образующих кристаллическую решетку, возникает прочная ме­ таллическая связь. При этом коллективизированные электроны стягивают положительные ионы, которые остаются от атомов при

ными покрытиями и прокатываемого металла с чистой поверхно­ стью или имеющего окисную пленку квантовые процессы сводятся к образованию прочных связей в основном ковалентного или коор- динационно-ковалентного типа.

Протекание в месте контакта соединяемых материалов процес­ сов электронного взаимодействия требует затраты энергии для акти­ вации поверхностей [4, 32, 33]. С образованием активных центров в течение ограниченных отрезков времени ( Ю - 3 — Ю - 6 сек) подавляющая часть всех химических связей со стороны обоих контактирующих тел претерпевает обрывы с новым восстановле­ нием связи уже друг с другом, т. е. почти мгновенно происходит трансляция связи между соединяемыми металлом и материалом валка. При этом вероятность захвата «чужих» связей оказывается высокой, что и приводит к прочному сцеплению контактирующих поверхностей металла и инструмента.

153

Необходимая энергия для создания активных центров на по­ верхности металла и инструмента сообщается в виде тепла нагре­ того металла (термическая активация) и механической энергии упруго-пластической деформации (механическая активация).

Величина энергии активации зависит от физико-химических свойств, атомного строения и структурного соответствия контак­ тирующих материалов. Когда тип и параметры решеток соединяе­ мых материалов не идентичны, увеличение кристаллографического несоответствия (угла разориентировки, разницы в параметрах решетки) вызывает увеличение энергии активации, необходимой для образования прочной связи.

Таким образом, чем больше отличаются поверхности контак­ тирующего металла и валка по типу и параметрам решетки, тем меньше возможностей для образования соединения металл—ин­ струмент. Кроме того, сила связей внутренней поверхности раз­ дела зависит не только от энергии связи между атомами в ме­ таллах или защитных пленках, но и от направленности этих связей по отношению к основной решетке и от числа ближайших соседей. Следовательно, материалы с сильными ковалентными связями, требующие связей определенной длины и углов не менее, чем с шестью ближайшими соседями, не будут образовывать с метал­ лами сцепления, так как почти невозможно достигнуть точного кристаллографического соответствия решеток относительно внут­

ствие упрочнения (наклепа) поверхностных слоев разрушение мостиков сцепления совершается в более нагретом слое и, следо­ вательно, в менее прочном металле.

Рассмотрим более подробно вторую стадию процесса. Как было показано, образование соединения металла и валка возможно вследствие переключения (трансляции) межатомных связей. Про­ цесс образования парно-электронной связи за счет трансляции

С— величина, характеризующая состав и свойства мате­ риала;

Р— давление;

ха — время активации; Г — температура;

k — постоянная Больцмана.

154

Пользуясь этой формулой, можно подсчитать для различных температур время, в течение которого произойдет 70—-90% обры­ вов связей, необходимых для того, чтобы проходил процесс «сши­ вания», т. е. происходило сцепление металла с валком.

Однако отсутствие надежных данных о параметрах, входящих в выражение (37), не позволяет произвести указанные расчеты. Для практического применения приведенную зависимость нужно преобразовать следующим образом.

Как известно, в общем случае в твердом теле при заданной тем­ пературе присутствует спектр частот тепловых колебаний. В вы­ ражение (37) входит одна конкретная частота, которая является средней частотой, характеризующей спектр тепловых колебаний. Для определения этой средней частоты нет экспериментальных методов, поэтому предложены различные теоретические выраже­ ния, позволяющие связать ѵ с константами твердого тела, опреде­ ляемыми из эксперимента. Одно из таких выражений, наиболее

ô— постоянная решетки.

Всвою очередь, D 0 и Q входят в уравнение температурной зависимости коэффициентов диффузии

Таким образом, кинетика образования связей при взаимодей­ ствии металла с инструментом приближенно может быть описана уравнением (40), в которое входят параметры, целиком определяе­ мые из экспериментов по диффузии атомов обрабатываемого ме­ талла в материал валка.

Было проведено исследование диффузии прокатываемого ме­ талла в рабочий иструмент с помощью радиоактивных изотопов. Следует заметить, что коэффициенты диффузии, определяемые этим методом, представляют собой константы для данной темпе­ ратуры и состава диффузионных пар и характеризуют перенос вещества диффузионными потоками независимо от геометрии

155

этих потоков. Определяли константы диффузии обрабатываемого металла в инструмент при значительном налипании и без него.

Эксперименты проводили на металлах, обладающих повышен­ ной склонностью к налипанию на инструмент. С этой целью был использован изотоп вольфрама 185, имеющий более удобные ядерные и физико-химические характеристики, чем радиоактив­ ный изотоп молибдена.

При подборе материалов валков учитывали, что молибден и вольфрам обладают большим структурным соответствием с чу­ гунными и стальными материалами, но сильно отличаются по типу связей, например, от твердосплавных материалов. На осно­ вании экспериментальных данных для исследования были выб­ раны валки из стали марки 9ХСВФ и валки из твердосплавного материала ВК-Ю. Сведения по диффузии вольфрама в сталь марки 9ХСВФ и в сплав ВК-Ю в литературе отсутствуют. Имею­

как химического состава, так и структурного состояния этих ма­ териалов [17].

Исследование диффузии проводили путем снятия слоев и измерения интегральной радиоактивности остатка образца [15]. Образцы, изготовленные из выбранных материалов, имели форму прямоугольников. На одну из плоскостей гальванически осаж­ дался тонкий слой металлического изотопа вольфрама. Далее образцы складывали попарно покрытиями внутрь и отжигали при различных температурах в вакууме 10"3 мм рт. ст. После от­ жига с образцов снимали плоскопараллельные слои и проводили измерение радиоактивности снятого слоя. При заданных условиях относительная интенсивность измерения с поверхности образца после снятия п-го слоя с координатой хп соответствовала концен­ трации вольфрама в этом слое.

Сталь марки 9ХСВФ при температурах исследования диффу­ зии (1050—1200° С) представляет собой однородный аустенит. В этом случае для определения коэффициентов диффузии исполь­ зовали I I закон Фика:

для случая «мгновенного» источника диффундирующего вещества это решение имеет вид

где С — концентрация вольфрама в плоскости с координатой х после диффузионного отжига продолжительностью t; С0 — концентрация вольфрама в нанесенном слое до отжига.

По результатам измерения строят кривые С = / (х) и по ним рассчитывают коэффициенты диффузии. При расчетах по формуле

156

карбида вольфрама (WC) с кобальтом, который служит связкой для WC и располагается между зернами карбида. В сплаве с такой структурой можно ожидать диффузионных потоков по кобальто­ вым прослойкам, расположенным по границам зерен WC и по объему этих зерен.

Диффузия по объему зерен карбида и кобальтовым межзеренным прослойкам может быть описана с помощью системы уравнений (рис. 108):

157

Система (44) решается при следующих начальных и граничных условиях:

При определении коэффициентов диффузии по объему зерен карбида вольфрама и параметров диффузии по кобальтовым прослойкам методом снятия слоев и измерения интегральной ра­ диоактивности остатка образца, интенсивность излучения после снятия п-го слоя соответствует некоторой концентрации, усреднен­ ной по слою, параллельному начальной плоскости, в которой ле-

158

жит ось Y. Обозначая интенсивность излучения, соответ­ ствующую этой средней концентрации, через С (хп, t), получим

Ъсо

были получены экспериментальные концентрационные кривые. Ти­ пичная кривая приведена на рис. ПО. По таким кривым рассчи­ тывали коэффициент диффузии вольфрама в карбиде при различ­ ных температурах (1050—1150° С). Для расчета эксперименталь­ ные кривые сравнивались с теоретическими. При этом строили

159