книги из ГПНТБ / Вакуумные прокатные станы

Перед прокаткой образцы промывали в ацетоне и предвари­

растворенные в объеме, а также находящиеся в виде соединений на поверхности и внутри. Создание вакуума препятствует газо­ насыщению, течению реакций образования химических соедине-

200

ний и делает возможным развитие дегазации и реакции диссо­ циации.

Очевидно, что выделение газов определяется наиболее медлен­ ным из этих процессов. Повышение температуры способствует процессу десорбции газов.

Так как коэффициент диффузии водорода больше коэффициента диффузии других газов, то сравнительно быстрое удаление во­ дорода из сплавов во второй период легко объяснимо. Так, коэф­

диффузии и устойчивостью окислов и нитридов. Что касается изменения давления паров воды 1 8 Н 2 0 + , то оно связано не только

нагрева в вакууме. Сплав НЧ2 требует большого времени для

2.ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ

ВВАКУУМЕ

Число экспериментальных работ по исследованию темпера­ турных условий процесса деформации ограничено, при этом исследования * посвящены рассмотрению пластической деформа­ ции на воздухе без учета и строгой оценки физико-химического состояния поверхности металла. Известно, что физико-хими­ ческое состояние поверхности металла (наличие, толщина и свой­ ства окисной пленки, газонасыщенного слоя) оказывает на по­ следующих стадиях обработки существенное влияние на характер распределения температур в объеме металла, величину перепада температур между поверхностными и глубинными слоями, интен­ сивность охлаждения металла в процессе транспортировки к вал­ кам и после выхода из валков, теплообмен между металлом и окружающей средой и металлом и инструментом, температурный режим работы инструмента.

Недооценка роли влияния физико-химического состояния деформируемого металла на его температурное поле может отри­ цательно сказаться на условиях службы инструмента (вслед-

ствие тепловых ударов), а также на качество полуфабрикатов (из-за резкой неравномерности деформации, вызванной охлажде­ нием приконтактных слоев).

Авторами было проведено исследование зависимости темпе­ ратурного поля металла и валка от физико-химического состояния поверхности металла, обусловленного средой и условиями обра­ ботки [74].

Экспериментальная часть выполнена на вакуумном прокатном стане МИСиС-210. На основании анализа существующих мето­ дов изучения температурных условий процесса прокатки был разработан комплексный метод, позволяющий исследовать изме­ нение температуры по сечению металла и валка во времени на

пределения температур в валке было сконструировано спе­ циальное устройство, позволяющее проводить непрерывное изме­ рение температуры в трех точках валка: по контактной поверх­ ности и на расстоянии 1,5 и 5,0 мм от нее. Измерительное устрой­ ство (рис. 147) состоит из стальной вставки с внутренним отвер­ стием, в которое вставляется с плотной посадкой ступенчатый стержень, выполненный из материала валка. В стержень зачеканивали хромель-алюмелевые термопары диаметром 0,2 мм. изолированные кварцевой соломкой и специальной смазкой, Термопары выводили через боковую канавку в стержне и вводили в осевое отверстие валка. Тарировка термопар измерительного устройства осуществлялась на собранном валке, что позволило автоматически исключить ошибки, которые могли быть обуслов­ лены погрешностями сборки устройства.

Для исследований были выбраны стальные образцы (Ст 3) размерами 7 X40 X 160 мм. Измерение температурного поля образ­ цов осуществлялось хромель-алюмелевыми термопарами диамет­ ром 0,2 мм на четырех различных уровнях сечения: на контактной поверхности и на расстоянии 0,5; 1,0; 3,0 мм от нее. Термопары крепились в стальных дисках (из стали Ст 3) диаметром 6 мм, которые с тугой посадкой были вмонтированы в отверстия на об­ разцах, расположенных последовательно по продольной оси.

202

Такое размещение обеспечивало постоянство тепловых условий металла в процессе прокатки. Погрешностью измерения, возни­ кающей из-за расположения точек заделки термопар в разных сечениях, можно пренебречь. Изготовление дисков из материала образца и плотная посадка свели к минимуму искажения темпе­ ратурного поля. Тарировка термопар, вмонтированных в обра­ зец, производилась непосредственно в рабочих условиях во время нагрева под прокатку.

Специально отрабатывалась техника эксперимента, учиты­ вающая специфику процесса прокатки на вакуумном прокатном стане (дистанционное управление, труднодоступность к рабочим

вставки в валке с областью измерений образца, сохранение ра­ ботоспособности термопар образца после его деформации).

Выбранные режимы прокатки позволили варьировать в широ­ ких пределах физико-химическим состоянием контактной поверх­ ности, за критерий которого была принята толщина окисной пленки.

Прокатка проводилась на воздухе и в различном вакууме при температуре нагрева под прокатку 800—1000° С, что обусло­ вило диапазон изменения толщины окисной пленки от 2 до 100 мкм.

валка при прокатке в различных средах. Данные измерения сви­ детельствуют, что максимальное изменение температуры в про­ цессе пластической деформации наблюдается на контактной по­ верхности. При прокатке в высоком вакууме 5 - Ю - 4 мм рт. ст. температура поверхности валка скачкообразно возрастает при входе образца в очаг деформации, что связано с тепловым импуль­ сом, сообщаемым валку нагретым металлом. По мере продвиже­ ния металла через очаг деформации температурная кривая плавно

203

растет, но уже с гораздо меньшей интенсивностью, что отражает выравнивающее действие процесса теплопроводности между го­ рячим металлом и холодными валками. Максимальная темпера­ тура на контактной поверхности валка достигается в плоскости выхода металла из очага деформации. За пределами очага дефор­ мации температура довольно резко снижается в первый момент (из-за нарушения теплового контакта) и затем асимптотически приближается к своему первоначальному значению. Высокую интенсивность процесса нагрева поверхностных слоев валка иллю­

прохождения очага деформации, влияние тепла пластической деформации и трения, время контакта и др.).

При прокатке на воздухе при более высоких температурах нагрева (следствием чего является увеличение толщины окисной пленки) процесс нагрева валка замедляется и максимум темпе­ ратуры смещается к выходу из очага деформации. Температур­ ные условия прокатки на воздухе характеризуются значительным перепадом температур поверхностей металла и валка. Так, при прокатке на воздухе образцов, нагретых до 800° С, перепад со­ ставил 415° С.

204

Температурные кривые, характеризующие изменение темпе­ ратуры валка на расстоянии 1,5 мм от контактной поверхности, имеют принципиально одинаковый характер при прокатке и в ва­ кууме, и на воздухе, определяющийся законом теплопроводности: изменение толщины окисной пленки определяет всего лишь темпе­ ратурный уровень. Например, увеличение толщины окалины приводит к снижению максимального значения .температуры. На глубине 5,0 мм от поверхности валка температурных изме-

нений не было обнаружено, что позволяет полагать, что при при­ нятой схеме прокатки (однократной) тепловым колебаниям под­

валка в вакууме почти в 3 раза больше, чем на воздухе. Высокую температуру и интенсивность нагрева поверхностных слоев валка при прокатке в безокислительных условиях совершенно

205

зано с менее развитым процессом теплообмена в вакууме между валком и окружающей средой из-за практического отсутствия конвекции.

Типичный характер изменения температур различных слоев металла в процессе деформации в вакууме и на воздухе пред­ ставлен на рис. 150. Процесс прокатки в вакууме сопровождается резкими температурными скачками во всех рассматриваемых точках сечения образца. Как видно из рис. 151, на поверхности

поверхности температура изменяется более медленно. Можно полагать, что в этом случае передача тепла теплопроводностью имеет преобладающее значение.

Полученные температурные кривые при прокатке на воздухе образца, нагретого до 800° С, хорошо согласуются с результа­ тами исследований С. И. Булата [8] . Температура поверхности металла падает медленнее. К концу очага деформации в балансе теплообмена охлаждающее действие валков перекрывается вы­ делением тепла за счет работы деформации и трения. Изменение температуры металла на глубине 1,0 мм от поверхности доста­ точно заметно и отражает действие теплового импульса, в сере­ дине образца (на глубине 3,0 мм) падение температуры незна­ чительное.

Анализируя условия охлаждения образцов после выхода из валков, можно отметить, что наличие развитого теплообмена

206

металла с окружающей средой обусловливает максимальное значение скорости охлаждения на воздухе (рис. 152). При осты­ вании металла в вакууме Ю - 1 мм рт. ст. скорость охлаждения минимальная, так как практически отсутствует конвективный теплообмен и, кроме того, действует теплоизоляционный слой окисной пленки. Малые скорости охлаждения металла в условиях

зывать значительное влияние на условия трения и касательные напряжения в очаге деформации. Резкое снижение температуры поверхностных слоев металла при прокатке в вакууме необхо­ димо учитывать при анализе результатов исследований силовых

Рис. 152. Кинетика охлаж­

и скоростных показателей и при расчетах усилий. Несомненно, что сопротивление деформации приконтактных слоев металла имеет повышенное значение. Различие в температурных условиях металла может повлечь за собой и различие в свойствах и струк­ туре по сечению. Очевидно, что анизотропия свойств и структуры увеличивается при прочих равных условиях, с уменьшением тол­ щины окисной пленки на контактной поверхности.

Зависимость температурных условий процесса деформации от физико-химического состояния контактной поверхности необхо­ димо учитывать при оценке контактного трения и касательных напряжений, расчетах энергосиловых показателей прокатки, разработке технологических режимов и конструировании спе­ циального оборудования.

3. КОНТАКТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ПРОКАТКЕ В ВАКУУМЕ

Косвенные методы не позволяют получить картину распре­ деления контактных напряжений в очаге деформации, знание которых необходимо при изучении закономерностей взаимодей­ ствия деформируемого металла с инструментом и установлении общей зависимости касательных и нормальных напряжений от условий на контактной поверхности.

Особый интерес приобретает этот вопрос при исследовании прокатки в вакууме, когда изменение условий в месте контакта

207

в зависимости от глубины вакуума является одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние на энергосило­ вые показатели процесса. Знание распределения контактных нап­ ряжений в очаге деформации является фактическим материа­ лом, необходимым для задания граничных условий при расчетах усилий и деформаций и для прямого использования их при решении технологических вопросов (стойкость и износ инструмента, на­ липание металла на валки, подбор смазки и т. д.).

Изучению характера распределения контактных напряжений при пластической деформации посвящено значительное коли­ чество теоретических и экспериментальных работ.

На основании исследований установлено, что основным фак­ тором, влияющим на величину и характер распределения контакт­ ных напряжений в очаге деформации, является фактор формы

очага деформации J . Этот параметр является универсальным

критерием разработанных в настоящее время классификаций процесса прокатки, в соответствии с которыми и определяется характер распределения контактных напряжений по дуге захвата.

Однако границы различных случаев прокатки еще не точно установлены, так как контактные напряжения зависят не только

от различных факторов существенно усложняется в связи с тепло­ вым взаимодействием металла с валками, наличием окалины и сложной зависимостью механических свойств металла в очаге деформации и в приконтактных слоях от температуры нагрева, теплопроводности металла, продолжительности охлаждения и отношения поверхности к объему очага деформации.

Для экспериментального исследования контактных напряже­ ний создано большое количество силоизмерительных устройств, которые можно разделить по принципу измерения сил на два типа: для измерения суммарных сил в очаге деформации и для измерения напряжений в каждой точке контактной поверх­ ности.

К первому типу силоизмерительных устройств относятся раз­ резные приборы, торсиометры и месдозы для измерения полного давления. С помощью силоизмерительных устройств второго типа измеряются контактные напряжения в виде эпюр в каждой точке очага деформации. Силоизмерительные устройства этого типа в зависимости от числа измеряемых величин можно подраз­ делить на однокомпонентные, двухкомпонентные и трехкомпонентные.

Анализ существующих штифтовых силоизмерительных устройств для измерения контактных напряжений показывает, что ни одно из них не может быть принято для изучения распре-

208

деления нормальных и касательных напряжений при дефор мации тугоплавких металлов в вакууме по следующим при чинам:

1. Отсутствие высокой конструктивной жесткости, необхо­ димой при измерении распределения нормальных и касательных напряжений по длине очага деформации с повышенной точностью.

2. Недостаточная надежность работы элементов конструкции в условиях высокого вакуума (из-за наличия пар трения возможно схватывание).

сечения размерами 1,3X25 мм. Зазор между штифтом упругого

обеспечивается созданием предварительно напряженного состояния секторов / и 3 по плоскостям их контакта Д и Е. При монтаже силоизмерительного устройства с вмонтированным упругим эле­