Файл: Вакуумные прокатные станы..pdf

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