книги из ГПНТБ / Вакуумные прокатные станы

проходящей через начало координат. Это означает, что экспери­ ментальная кривая зависимости удельной радиоактивности остатка образца от х совпадает с одной из теоретических кривых

С/С0.

Для каждой экспериментальной кривой по тангенсу угла нак­

Определение коэффициентов диффузии вольфрама в кобальто­ вой прослойке не производилось, так как площадь соприкоснове-

160

Энергию га отрыва единичного атома с поверхности можно сопоставить с энергией сублимации es . В свою очередь, энер­ гия сублимации пропорциональна энергии активации само­

знать температуру на контактной поверхности валка и величину энергии активации самодиффузии Q„. Подсчеты позволили опре­ делить температуру поверхности валков при контакте с вольфра­

Подставляя найденные значения всех величин в выражение (51), получим, что полный обрыв связей на поверхности валка из стали марки 9ХСВФ при прокатке вольфрама, нагретого до 1500° С, произойдет за 0,1 сек, тогда как на поверхности валка из сплава ВК.-10 — за 16 700 сек. Таким образом, на валках из стали марки 9ХСВФ за время прокатки возможен полный обрыв межатомных связей и их трансляция, что и должно приводить к образованию прочного соединения металл—инструмент. Данное обстоятельство, как будет показано ниже, хорошо подтверждается интенсивно развитым налипанием молибдена и вольфрама на эти валки в ус­ ловиях прокатки в вакууме.

На поверхности валков из материала ВК-Ю теоретически при принятых условиях прокатки не может идти процесс образования активных центров, что экспериментально подтверждено высокой стойкостью этих валков против налипания.

Анализ выражения (51) показывает, что увеличение темпера­ туры прокатки резко уменьшает время активации, необходимое для полного разрыва межатомных связей, что, в свою очередь, должно способствовать интенсификации процесса налипания. Повышение степени деформации, по-видимому, должно приводить

при гораздо меньших значениях времени активации. Уменьшение же скорости прокатки должно приводить к увеличению налипа­ ния металла на валки, так как с уменьшением скорости прокатки резко увеличивается время контактирования, что приводит к при­ ближению и даже переходу через временной порог сцепления, определяемый временем активации.

2. СКЛОННОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ К НАЛИПАНИЮ НА ИНСТРУМЕНТ

При прокатке в вакууме и в инертных средах резко возрастает роль сил молекулярного взаимодействия чистых поверхностей металла и инструмента и создаются благоприятные условия для образования между ними металлической связи. Оценив условия на поверхности обрабатываемого металла, можно предварительно установить принципиальную возможность образования металли­ ческой связи металл—инструмент. Такая оценка выполнена в дан­ ной книге на основании химической термодинамики [34, 42, 43].

При переходе от атмосферы воздуха к вакууму различной сте­ пени и к среде инертного газа вследствие понижения парциаль­ ных давлений кислорода, азота и водорода изменяется изобарноизотермический потенциал реакции металл—газ, являющийся критерием химического сродства металла и газа.

Результаты термодинамических расчетов показывают, что до­ стижение безокислительных условий обработки давлением в ва­ кууме возможно лишь для таких металлов, как молибден, вольфрам медь, никель и других, окислы которых обладают сравнительно высокой упругостью диссоциации, соизмеримой с реально дости­ жимым парциальным давлением кислорода в камере. Для метал­ лов, обладающих низкими упругостями диссоциации окислов, та­ ких как цирконий, титан, ниобий, тантал, хром, железо и др., вероятность образования окисных пленок сохраняется в любом вакууме.

Вследствие отсутствия окисных пленок при горячей обработке в вакууме металлов с высокой упругостью диссоциации окислов создаются благоприятные условия для адгезионного взаимодей­ ствия поверхностей металла и инструмента. При прокатке метал­ лов с низкой упругостью диссоциации окислов на их поверхности всегда имеются окисные пленки, препятствующие адгезионному взаимодействию материала валка с металлом.

Следовательно, при прокатке металлов в вакууме большую склонность к налипанию должны обнаруживать металлы, упруго­ сти диссоциации окислов которых соизмеримы с парциальными давлениями кислорода, обусловленными остаточными давлениями или чистотой инертного газа (молибден, вольфрам, медь, никель, серебро и др.). Напротив, при горячей прокатке металлов с низкой упругостью диссоциации окислов, для которых величина равно­ весного давления кислорода не может быть достигнута примене­ нием даже высокого вакуума, последние должны обнаруживать меньшую склонность к налипанию на валки (цирконий, титан, тантал, ванадий, ниобий, хром, алюминий, железо и др.).

Приведенные рассуждения согласуются с экспериментальными данными. На стане МИСиС-210 прокатывали образцы молибдена, вольфрама, ниобия, ванадия, тантала, циркония, меди, никеля размерами 5—10 X 20—40x120—150 мм, полученные ковкой и

162

Налипание оценивали посредством тщательного обследования поверхностей металла и валков после прокатки каждого образца по появлению на инструменте первых признаков налипших частиц обрабатываемого металла. При отсутствии видимых следов нали­ пания поверхность образцов дополнительно контролировалась с помощью профилометра.

Исследования обнаружили повышенную склонность к налипа­ нию при прокатке в вакууме вольфрама, молибдена, меди и никеля. При деформации указанных металлов на поверхности валков обра­ зуется налипший слой, состоящий из мельчайших частиц этих металлов. Так, при прокатке никеля в вакууме 5- Ю - 5 мм рт. ст. при температуре 700° С и степени деформации е = 20-=-30% после девятого прохода на валках появился тончайший слой никеля, который отпечатался на всех последующих прокатываемых образцах.

рился к валку. Аналогичная картина наблюдается при прокатке

Особенно сильно процесс налипания выражен при прокатке вольфрама и молибдена. Это налипание носило различный харак­ тер, а именно •— от вырывов отдельных частиц до вырывов целых зон и областей, сопровождаемых разрушением образцов (рис. 113). В ряде случаев наблюдалось схватывание образца по всей поверх­ ности с материалом валка и его оковывание (рис. 114). Так, про­ катка молибдена при 1150° С и е = 55% в вакууме Ю - 2 мм рт. ст. сопровождалась таким сильным налипанием, что образец прива­ ривался к валку.

Исследование процесса прокатки вольфрама, молибдена, цир­ кония, ниобия, ванадия, тантала, меди и никеля на воздухе при тех же режимах, что и в вакууме, показало отсутствие налипания этих металлов на валки, что можно объяснить наличием на по­ верхности слоя окислов, надежно предохраняющих металл от непосредственного контакта с валком.

На основании прокатки большого количества заготовок и на­ копления статистических данных установлены вероятные области налипания при деформации в вакууме различной глубины и в ар­ гоне вольфрама, молибдена, меди и никеля, выраженные в виде графиков в координатах температура — степень деформации (рис. 115).

На основании этих графиков можно выбрать оптимальные ре­ жимы прокатки на валках из стали марки 9Х. Например, прокатка вольфрама на этих валках в вакууме 10~* мм рт. ст. при темпе­ ратуре 1400° С без налипания возможна только с обжатиями, не

164

превышающими 15%. При прокатке на валках из хромоникелевого чугуна по выборочным режимам наблюдалось менее интен­ сивное развитие налипания, чем при прокатке на стальных валках.

Анализ полученных данных позволяет сделать некоторые предположения в отношении предотвращения налипания метал­ лов на валки при прокатке в вакууме.

Î3

Ш

Из проведенного термодинамического анализа и рассмотренных экспериментальных Данных следует, что наличие окисных пленок, предохраняющих металл от непосредственного контакта с вал­ ком, предотвращает налипание. Так как при прокатке в вакууме молибдена, вольфрама, меди и никеля окисная пленка на их по­ верхности практически отсутствует, то одним из путей предот­ вращения налипания является искусственное создание предохра­ нительных пленок окислов или металлов на поверхности заготовки или инструмента.

Другим решением этой проблемы является разработка оптималь­ ных режимов прокатки, как это было сделано для вольфрама, мо-

166

либдена, меди и никеля. Кроме того, целесообразным является и путь изыскания соответствующего материала валков, обладающего

ратура, обжатие) для данного материала валков и обрабатывае­ мого металла; подбор материала рабочих валков; изыскание спе­ циальных покрытий валков и способов обработки их поверхности с целью создания промежуточного слоя между инструментом и обрабатываемым металлом.

3. СТОЙКОСТЬ ВАЛКОВ ПРОТИВ НАЛИПАНИЯ

Исследования стойкости проводили на стальных, чугунных и металлокерамических валках. Многообразие марок этих мате­ риалов заставляет строго подходить к выбору материала инстру­

ных классов, принципиально отличающиеся по структуре (после оптимальных режимов термообработки) и теплостойкости.

Большие давления при прокатке тугоплавких металлов в вакууме не позволяют выбирать обычные чугуны в качестве материала валков, поэтому для исследования был выбран ряд износо- и термостойких чугунов.

Применяемые в настоящее время металлокерамические жаро­ прочные материалы можно разделить на три группы: материалы на основе тугоплавких металлов — вольфрама, молибдена, тантала, ниобия и циркония; на основе тугоплавких соединений — карби­ дов, боридов, нитридов и силицидов; на основе тугоплавких окислов, сцементированных металлами.

Из перечисленных материалов для деформирующего инструмен­ та наибольшее применение получили металлокерамические сплавы на основе карбидов вольфрама, хрома, титана. Они имеют высокую твердость, но большим недостатком чистых карбидов является их повышенная хрупкость и низкий предел прочности. Для снижения хрупкости и повышения термостойкости используют добавки никеля или кобальта, выполняющие роль вязких цементирующих фаз.

Требованиям высокого сопротивления износу, повышенной прочности и ударной вязкости в большей степени отвечают сплавы

167

на основе карбидов вольфрама с добавлением кобальта, типа ВК-Ю, ВК-15. Значительный интерес представляют сплавы на основе карбидов хрома с добавками никеля. В соответствии с изложен­

дили из следующих требований: высокая стойкость против налипа­ ния, большая твердость и вместе с тем достаточная пластичность, высокие жаростойкость и теплоизоляционные свойства, способность выдерживать значительные удельные давления. Кроме того, по­ крытие должно обладать высокой прочностью сцепления с мате­ риалом валка, быть равномерным, без шероховатостей и наростов по краям. В соответствии с этим для испытаний был выбран ряд покрытий, полученных при различных режимах химическим и

С целью предварительной оценки стойкости выбранных мате­ риалов валков против налипания тугоплавких металлов, а также защитного действия принятых покрытий были проведены испыта­ ния на способность их к схватыванию (спеканию) с молибденом — одним из металлов, проявляющих наибольшую склонность к на­ липанию.

Для этого из выбранных материалов валков готовили цилин­

некоторые из них наносили покрытия указанными способами. Затем два испытуемых образца с помещенной между ними пластин­ кой молибдена толщиной 1,5 мм загружали в камеру высоко­

нагрузку снимали, образцы охлаждали, извлекали из камеры и разъединяли. С помощью планиметра определяли площадь области видимого схватывания.

На основании такого предварительного эксперимента по ре­ зультатам испытаний большого количества различных материалов

металлокерамических валков, выбранных для исследования их стойкости против налипания х .

1 Изготовление валков (колец) проводилось в ЦНИИТМАШе под руководством кандидатов техн. наук С, В. Маркина и А. П. Черного.

168

Выбранные стали относятся к различным классам. Сталь марки ЗХ2В8Ф обладает высокой стойкостью и термостойкостью. К та­

ционной стойкостью. Обе

Клапанная сталь марки 4Х8С2 относится к классу теплопрочных и окалиностойких сталей. Теплопрочность, жаростойкость и сопротивление окислению у этой стали объясняются высоким содержанием хрома и кремния. Окислы хрома и кремния образуют тонкую, плотную и прочную Цленку, которая сохраняет свою плотность при высоких температурах, и, следовательно, должна предохранять инструмент от взаимодействия с прокатываемым металлом. Стеллит 250Х24ВЗТ обладает повышенной износостой­ костью.

169