книги из ГПНТБ / Вакуумные прокатные станы

отличались от расчетных на 12%, для молибдена на 10% и для стали на 15%.

Применение вакуума и среды инертного газа позволяет на методически новом уровне изучать влияние состояния поверх­ ностных слоев металла и окисных пленок на контактное трение при пластической деформации.

Одновременное измерение касательных и нормальных напря­ жений, проведенное в рассматриваемом эксперименте, позволило проанализировать важную зависимость между ними.

Усредненный по длине очага деформации коэффициент трения, рассчитанный из экспериментальных эпюр контактных напряже­ ний, полученных при прокатке титана (рис. 165), существенно изменяется при переходе от воздуха к высокому вакууму, причем

Рис. 165. Зависимость коэффи­ циента трения от среды при прокатке титана при температу­ рах в °С:

/ — 800; 2 — 900; 3 — 1000

-3 Lg Р(мм рт.ст) Остаточное давление

более интенсивный рост коэффициента трения наблюдается в ва­

1 мм рт. ст. — 0,095, в вакууме 10"2 мм рт. ст. — 0,097, в ва­ кууме 10"3 мм рт. ст. он возрастает до 0,14. Столь небольшие абсолютные значения коэффициента трения для молибдена объясняются чрезвычайно большими значениями нормальных напряжений по сравнению с касательными.

Зависимость коэффициента трения от среды при прокатке стали имеет максимум в вакууме 1 мм рт. ст. (рис. 167). При увеличении или уменьшении парциального давления кислорода

220

Выявленные закономерности распределения контактных напря­ жений по длине очага деформации и изменения энергосиловых показателей процесса прокатки металлов при воздействии раз­ личных сред можно объяснить изменением кинематических усло­ вий на контакте в зависимости от физико-химических и механи­ ческих свойств поверхностных слоев обрабатываемого металла.

Как показали исследования, образцы в зависимости от среды покрыты различными по толщине и свойствам окисными пленками.

Так, при прокатке на воздухе титана образовывалась окисная

очередь, привело к изменению кинематических условий в очаге деформации, характеризующихся увеличением области затруднен­ ной деформации, смещением г нейтрального сечения и максимума нормальных напряжений в сторону выхода металла из валков. В данном случае, как показывают результаты эксперимента, окисная пленка играла роль присыпки.

При переходе от прокатки на воздухе к прокатке в низком ва­ кууме резкое замедление процессов окисления обусловило обра­ зование сравнительно тонкой окисной пленки (8—12 мкм). Хотя схема взаимодействия обрабатываемого металла с инструментом

221

массы образца. Эластичная окисная пленка в данном случае играла роль смазки, облегчая перемещение деформируемого металла по поверхности инструмента. Следствием этого явилось смещение нейтрального сечения к середине дуги захвата и уменьшение об­ ласти затрудненной деформации. Смазывающее действие окисная пленка оказывала вплоть до вакуума Ю - 3 мм рт. ст.

Дальнейшее повышение степени вакуума привело к изменению схемы взаимодействия металла и инструмента. Поверхность ме­ талла покрывалась настолько тонкой окисной пленкой, что по неровностям происходило контактирование валка с чистым метал­ лом. Это подтверждается наблюдаемым изменением цвета поверх­ ности образца после прокатки в вакууме. С повышением степени вакуума доля контактной поверхности, приходящейся на контакт валка с чистым металлом, увеличивалась. Такое изменение состоя­ ния поверхности обрабатываемого металла оказывало существен­ ное влияние на характер распределения контактных напряжений и сил трения по длине очага деформации. Если при прокатке в низ­ ком вакууме и на воздухе окисная пленка покрывала полностью контактную поверхность металла, то в данном случае при захвате окисная пленка на выступах срезалась и по мере продвижения по очагу деформации все больше и больше вступали в контакт чистые поверхности металла, что существенно изменяло условия течения металла в очаге деформации.

Изменение условий трения в зоне контакта привело к постепен­ ному увеличению области затрудненной деформации и смещению нейтрального сечения и максимума нормальных напряжений в сто­ рону выхода. Давление и сила трения при этом увеличивались.

При прокатке в высоком вакууме ( 5 - Ю - 5 мм рт. ст.) на титане образовывалась тончайшая пленка и металл сохранял свой естественный цвет. Практическое отсутствие окисной пленки на поверхности металла приближало условия в зоне контакта к усло­ виям сухого трения. Однако силы трения изменялись по более сложному закону, так как наряду с трением скольжения имелось адгезионное взаимодействие между металлом и инструментом. Подтверждением этому являются случаи налипания металла на валки при прокатке в высоком вакууме.

Увеличение области затрудненной деформации при этом, оче­ видно, связано с повышением роли сил молекулярного взаимо­

к дальнейшему "смещению нейтрального сечения и максимума нормальных напряжений в сторону выхода металла из валков, а также к увеличению энергосиловых параметров процесса про­ катки.

При прокатке молибдена — металла со сравнительно высокой упругостью диссоциации окислов, на воздухе на его поверхности

222

образовывалась окисная пленка толщиной 60—75 мкм, плотно прилегающая к металлу. Уменьшение толщины окисной пленки с сохранением сплошности после прокатки указывает на ее хоро­ шие пластические свойства. Наличие такой сравнительно пластич­

Эластичная, плотно прилегающая к поверхности металла окис­ ная пленка, образованная на молибдене при прокатке на воздухе, играла роль смазки. При этом легкоплавкая трехокись молибдена усиливала смазывающее действие окисной пленки.

Резкое замедление скорости окисления молибдена наблюдалось уже в вакууме 1 мм рт. ст. Поверхность металла покрывалась сплошной окисной пленкой, состоящей из низших окислов, тол­ щиной 15—20 мм.

Незначительное уменьшение области затрудненной деформации и мало заметное смещение нейтрального сечения и максимума нормальных напряжений в сторону выхода металла из валков, а также несущественные уменьшения давления и силы трения свидетельствуют о сохранении смазывающих свойств окисной пленки при переходе от прокатки на воздухе к прокатке в ва­ кууме 1 мм рт. ст.

Изменение цвета поверхности образцов после прокатки в ва­ кууме Ю - 1 мм рт. ст. позволяет говорить о смешанном контакте металла с валком, т. е.-о контактировании валка не только с окис­ ной пленкой, но и с чистым металлом. Это привело к изменению условий трения в зоне контакта и, следовательно, к изменению кинематических условий в очаге деформации, проявляющихся в увеличении области затрудненной деформации и смещении ней­ трального сечения и максимума нормальных напряжений к выходу. Силы трения и давление при этом повышались.

При прокатке молибдена в вакууме 10_ 3 мм рт. ст. толщина окисной пленки составляла несколько ангстрем, что уже не пре­ пятствовало адгезионному взаимодействию между металлом и вал­ ком (на образцах после прокатки наблюдались следы налипания). Это привело к изменению схемы взаимодействия металла и ин­ струмента и, следовательно, к изменению условий трения: гра­ ничное трение сменилось сухим трением [98]. Смена условий трения привела к изменению кинематических условий в очаге деформации, что, в свою очередь, вызвало резкий рост области затрудненной деформации и дальнейшее смещение нейтрального сечения и максимума нормальных напряжений в сторону выхода. При этом наблюдался дальнейший рост энергосиловых показателей процесса прокатки.

При прокатке стали на воздухе сравнительно толстая окисная пленка (100—120 мкм) полностью покрывала контактную поверх­ ность металла, в результате чего взаимодействие валка с металлом происходило по схеме: металл — окисная пленка — инструмент. Увеличение области затрудненной деформации, смещение ней-

223

деформации окисная пленка во время деформации играла роль присыпки, существенно увеличивая силы трения и давления.

В вакууме 1 мм рт. ст. поверхность стальных образцов покры­ валась сплошной пленкой в основном из вюстита, не нарушающей своей сплошности после деформации.

Хотя схема взаимодействия металла и валка оставалась преж­ ней, окисная пленка существенно отличалась по физико-механи­

при этом силовых показателей процесса указывает на смазываю­ щее действие окисной пленки при прокатке стали в данных усло­ виях.

При прокатке стали в вакууме 1СГ1 мм рт. ст. изменялась схема взаимодействия металла и инструмента. Смешанный кон­ такт инструмента с обрабатываемым металлом приводил к изме­ нению кинематических условий в очаге деформации, заключаю­ щемуся в увеличении области затрудненной деформации и сме­ щении нейтрального сечения и максимума ъ сторону выхода. Изменение кинематических условий в очаге деформации вызвало рост силовых показателей процесса прокатки.

Тончайшие окисные пленки, образующиеся на стали при нагреве в вакууме Ю - 3 мм рт. ст., не препятствовали адгезион­ ному взаимодействию металла и инструмента, что привело к смене схемы взаимодействия металла и инструмента, обусловившей затруднение перемещения металла в очаге деформации.

Дальнейший рост области затрудненной деформации и сме­ щение нейтрального сечения и максимума к выходу указывает на изменение кинематических условий в очаге деформации, вызвавшее дальнейший рост энергосиловых показателей процесса прокатки.

Таким образом, зависимость энергосиловых параметров про­ цесса прокатки от среды для молибдена и стали (рис. 168) отли-

224

чается от подобных зависимостей при прокатке титана наличием минимума в более низком вакууме, связанного с более ранней сменой схемы взаимодействия металла и инструмента. Это, в свою очередь, ведет к различным условиям внешнего трения, которые при понижении остаточного давления в камере изменяются от условий граничного трения к условиям сухого трения и адге­ зионного взаимодействия.

Следовательно, влияние среды на процесс прокатки заклю­ чается в изменении состояния поверхности обрабатываемого металла, ведущем к изменению внешнего трения по дуге контакта. Изменение внешнего трения ведет к изменению кинематических

условий в очаге деформации, которые во многом определяют

параметров процесса прокатки. Многообразие факторов, оказы­ вающих в совокупности сложное влияние на физико-химические и механические свойства приконтактного слоя металла, не под­ дается установлению каких-либо функциональных зависимостей из-за отсутствия комплексных исследований этого явления. Поэтому дать оценку влияния состояния поверхности обрабаты­ ваемого металла на энергосиловые показатели процесса деформа­ ции в настоящее время возможно лишь экспериментальным путем.

Проведенные исследования изменения состояния поверхности обрабатываемого металла в зависимости от парциального давле­ ния кислорода, температуры нагрева и времени выдержки при

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев А. И. и др. К вопросу определения касательных напряжений при двухмерной прокатке в случае полного прилипания. Харьков, изд-во УкрНИИМЕТа, 1968.

2. Амоненко В. М. и др. Вакуумный прокатный стан.— «Сталь», 1960, № 10.

3. Амоненко В. М. и др. Вакуумный прокатный стан. В кн.: Применение вакуума в металлургии. Труды третьего совещания по применению вакуума в металлургии, М., Изд-во АН СССР, 1963.

4. Амосов Р. М. и др. О природе активного центра на поверхности полу­ проводника при сварке полупроводников с металлами.— «Физика и химия обра­ ботки материалов», 1967, № 2.

5. Аникеев Н. А. и др. Масс-спектрометрический анализ газов при про­ катке в вакууме.— «Известия вузов. Черная металлургия», 1969, № 7.

6.Больцман Л. Лекции по теории газов. М., Изд-во технико-теоретической литературы, 1956.

7.Борисов А. Я- и др. Прокатка тугоплавких металлов в инертной кон­

тролируемой атмосфере.— «Цветные металлы», 1967, № 5.

8.Булат С. И. Труды ЦНИИЧМ . им. Бардина. Вып. 53. М., «Металлур­ гия», 1967.

9.Быкадоров А. Т. Прокатка стали в вакууме.— Бюллетень ЦНИИЧМ, 1967, № 11.

10.Виноградов Г. А., Радомысленский И. Д. Прессование и прокатка металлокерамических материалов. М., Машгиз, 1963.

11.Виноградов Г. А., Семенов Ю. Н. Прокатка металлических порошков. М., «Металлургия», 1969.

12. Гейнце В. Введение в вакуумную технику. М., Госэнергоиздат, 1960.

13.Герцрикен С. Д., Дехтяр И. Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. М., «Металлургия», 1960.

14.Гросвальд В. Г., Сведе-Швец Н. И. Новый метод исследования удельных сил трения и удельных давлений по контактной поверхности зоны деформации при прокатке. В кн.: Теория прокатки. М., Металлургиздат, 1962.

15.Грузин П. Л. и др. Изучение диффузии в твердых телах методом послой­ ного анализа интегральной радиоактивности образца.— «Передовой научнотехнический производственный опыт». Бюллетень ГОСИНТИ. Вып. 4. 1962, № 17.

16.Грузин П. Л. и др. Методы определения коэффициентов диффузии в поли­ кристаллических материалах с помощью бета-излучающих изотопов.— «Про­ блемы металловедения и физики металлов». Сб. трудов ЦНИИЧМ им. Бардина.

Т.4. Вып. 4. М., «Металлургия», 1968.

17.Грузин П. Л. О диффузии кобальта, хрома и вольфрама в железе и стали.— «Проблемы металловедения и физики металлов». Вып. 4. М., Метал­ лургиздат, 1955.

18. Грузин П. Л. Самодиффузия у _ ж е л е з а - — «Проблемы металловедения и физики металлов». Сб. трудов ЦНИИЧМ им. Бардина. Вып. 3. М., Металлург­ издат, 1952.

227

19. Гуревич Я. Б. Горячая прокатка металлов в вакууме. В кн.: Примене­ ние вакуума в металлургии. М., Изд-во АН СССР, 1960.

ЦНИИЧМ им. Бардина. Т. 9. Вып. 58. М., «Металлургия», 1968.

21.Джонс У. Вакуумная металлургия. Под ред. Р. Ф. Бунша. Пер. с англ. Под ред. А. Самарина. ИЛ, 1959.

22.Дмитриев Л. Д. и др. Устройство для уплотнения рабочих валков вакуум­ ного прокатного стана. Авт. свид. СССР, № 235702, кл. 7а, 8.— «Открытия,

изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», 1969, № 6.

23.Долженков Ф. Е. и др. Прокатка металлов в вакууме и в инертной среде. УкрНИИМЕТ, Киев, «Техника», 1964.

24.Долженков Ф. Е. и др. Горячая обработка металлов в вакууме и в инерт­ ной среде. Киев, «Техника», 1969.

25.Долженков Ф. Е. и Подольский И. Ц. Оборудование для прокатки в ва­ кууме и в инертной среде в СССР и за рубежом. М., НИИНФОРМТЯЖМАШ, 1965.

26.Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М.,-«Мир», 1964-

27.Езерский К. И. и др. Устройство для теплой прокатки труб на станах

холодной прокатки.' Авт. свид. СССР, № 159156, кл.7а, 170 4 . — «Бюллетень изо­ бретений и товарных знаков», 1963, № 24.

29. Карелин Ф. Р. и др. Влияние среды на процесс прокатки. Сб. трудов МИСиС «Новые методы обработки металлов давлением», № L X V I I I , «Металлур­ гия», 1971.

30. Карелин Ф. Р. и др. Энергосиловые показатели процесса прокатки ме­ таллов в вакууме. Сб. трудов МИСиС «Новые методы обработки металлов давле­ нием», № L X V I I I , M . , «Металлургия», 1971.

31.Корнеев Н. И. и др. Обработка давлением тугоплавких металлов и спла­ вов. М., «Металлургия», 1967.

32.Красулин Ю. Л., Шоршоров M. X. О механизме образования соединения разнородных материалов в твердом состоянии.—• «Физика и химия обработки материалов», 1967, № 1.

33.Красулин Ю. Л., Шоршоров M. X. Ретардация и активация процессов образования соединения при сварке. Сб. «Сварка разнородных металлов». Л., Дом научно-технической пропаганды, 1966.

№X L I . М., «Металлургия», 1966.

35.Крупин А. В. и др. Вакуумный прокатный стан 210.— «Известия вузов. Черная металлургия», 1965, № 3.

36.Крупин А. В. и др. Влияние скорости натекания на взаимодействие ме­ талла с газами в условиях горячей деформации в вакууме. Сб. трудов МИСиС

«Прокатка металлов и биметаллов в вакууме», № X L V I . M . , «Металлургия», 1968.

37.Крупин А. В. и др. Вакуумный прокатный стан. Авт. свид. СССР,

№267564, кл 7а, 8.— «Открытия, изобретения, промышленные образцы, то­ варные знаки», 1970, № 13.

38. Крупин А. В. и др. К расчету вакуумных систем прокатных станов типа «стан—камера». Сб. трудов ИМЕТ им. Байкова, МЭИ и МИСиС «Обработка металлов давлением». Вып. X L I V . М., Металлургиздат, 1963.

40.Крупин А. В. и др. Прокатка сплавов в вакууме. М., ЦИИНЦВЕТМЕТ,

1970.

41.Крупин А. В. и др. Прокатка в вакууме тугоплавких металлов и би­ металлов. М., ЦИИНЦВЕТМЕТ, 1966.

228

42. Крупин А. В. и др. Термодинамический анализ условий безокислитель­ ной прокатки молибдена, вольфрама, рения, меди и никеля. Сб. трудов МИСиС

и касательных напряжений при продольной прокатке. В кн. «Пластическая де­ формация металлов и сплавов». Сб. трудов МИСиС. Вып. 42. М., «Металлургия», 1967.

51. Нисбет Д. Д. Пластическая обработка при очень высокой температуре в атмосфере регулируемого состава. Молибден. Сб. трудов. Пер. с англ. М . , ИЛ, 1962.

52. Осада Я. Е. и др . Вакуумный пильгерстан. Авт. свид. СССР, № 157318, кл. 7а, 170 4 .— «Бюллетень изобретений и товарных знаков», 1963, № 18.

53.Осипов В. Г., Зарапин Ю. Л. Вопросы смазки в условиях вакуума. Сб. ИМЕТ им. Байкова «Напряженное состояние и пластичность при деформирова­ нии металлов». М., «Наука», 1966.

54.Павлов И. М. и др. О кинетике выделения газов при прокатке сплавов

ввакууме.— «Физика и химия обработки материалов», 1969, № 5.

55.Пазухин В. Д., Фишер А. Я. Вакуум в металлургии. М., Металлургиздат,

1956.

56.Пешехонов Н. В. и др. Адсорбция газов при малых давлениях и раз­ личных температурах. М., «Электроника», 1958.

57.Поксеваткин М. И. и др. Экспериментальное исследование контактных напряжений при горячей прокатке углеродистых сталей.— «Изв. вузов. Черная металлургия», 1966, № 8.

58.Преснов В. А. и др. Основы техники и физики спая. Томск, Изд-во Том­ ского университета, 1961.

59.Ростокер У. Металлургия ванадия. М., ИЛ, 1959.

60.Сигалов Ю. М., Езерский К. М. Полупромышленный вакуумный прокат­ ный стан ДУО-400. Сб. трудов МИСиС «Прокатка металлов и биметаллов в ва­

65.Тренделенбург Э. Сверхвысокий вакуум. М., «Мир», 1966.

66.Тугушев А. С. и др. Прокатный стан для получения металлического

229