ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 161
Скачиваний: 0
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
прокаткой слитков или штабиков по существующей в промышлен ности технологии. Перед загрузкой в вакуумную камеру поверх ность образцов тщательно обезжиривали. Время нагрева было выбрано на основании специального исследования и составляло 1—2 мин на 1 мм толщины образца.
Прокатку проводили при различных сочетаниях температур, степеней деформации и остаточных давлений в камере. Для сопо ставления была проведена прокатка в среде технически чистого аргона и на воздухе. При деформации на воздухе металл нагре вали в печи с инертной средой. В табл. 21 приведены режимы про катки для каждого исследованного металла.
Все исследования проводили на валках из стали марки 9Х с твердостью поверхности HRC 45—55, а также выборочно на вал ках из хромоникелевого чугуна. После прокатки серии образцов
исследуемого металла, а также при появлении |
следов налипания |
||||||||||
валки |
перешлифовывались. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 21 |
|
Режимы |
прокатки металлов |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Р е ж и м ы п р о к а т к и |
|
|
|||
М е т а л л |
Д а в л е н и е |
в мм рт. ст. |
Т е м п е р а т у р а п р о к а т к и |
О б ж а т и е |
|||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
и |
среда |
|
|
в °С |
|
в % |
|
Вольфрам |
спечен |
760; |
1; Ю - 2 ; б - Ю " 5 ; |
1200, |
1300, 1450 |
20—30 |
|||||
ный |
|
|
аргон |
|
|
|
|
|
|
|
|
Молибден |
кованый |
760; |
1; Ю - 1 ; |
|
950, |
1050, |
1150 |
|
10—60 |
||
Молибден |
металло- |
10"3 ; |
5 - Ю " 5 ; |
аргон |
|
|
|
|
|
||
керамический |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Медь |
|
|
760; Ю - 3 ; 5 - Ю - 6 ; |
400, |
500, |
600, |
850, |
20—80 |
|||
|
|
|
аргон |
|
|
980 |
|
|
|
||
Никель |
|
|
760; |
10"2 ; И Г 8 ; ар |
700, |
800, |
950, |
1000, |
20-^60 |
||
|
|
|
гон |
|
|
1200 |
|
|
|
||
Цирконий |
|
760; |
10"1 ; 10"2 ; |
800, |
900, 1000, 1100, |
15—60 |
|||||
|
|
|
10"3 ; 10-*; ар |
1200 |
|
|
|
||||
|
|
|
гон; гелий |
|
|
|
|
|
|
||
Ниобий |
|
|
760; |
Ю" 1 ; |
Ю" 3 ; |
800, |
1000, |
1200 |
|
15—50 |
|
|
|
|
5 - Ю " 5 ; |
аргон; ге |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
лий |
|
|
|
|
|
|
|
|
Тантал |
|
|
760; |
Ю - 1 ; |
10"3 ; |
1000, |
1200, 1450 |
15—60 |
|||
|
|
|
5 - Ю " 6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ванадий |
|
Ю - 1 ; |
К Г 3 ; 5 - Ю ' 5 |
800, |
1000, |
1200 |
|
15—50 |
|||
11* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
І63 |
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.
Как показали исследования, интенсивность образования |
этого |
|||
слоя зависит в большей степени от температуры прокатки |
и обжа |
|||
тия. Например, прокатка никеля |
при температуре 1000° С |
и сте |
||
пени деформации б = 30% уже |
на третьем |
проходе |
привела |
|
к тому, что образец вследствие |
интенсивного |
налипания |
|
прива |
рился к валку. Аналогичная картина наблюдается при прокатке
меди |
при |
температуре |
980° С и обжатии е = 45% в вакууме |
Ю - 2 |
мм |
рт. ст. (рис. |
112). |
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
1100 1200 1300 ѢОО "С |
950 1050 |
1150 1250 1350 1Ш °С |
|
а) |
Температура |
прокатки |
б) |
Ш
ѵ |
600 700 |
800 900 °С |
|
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1100 1200 "С |
||||
|
|
|
в) |
Температура |
|
прокатки |
|
г) |
|
|
|
||
Рис. |
115. Налипание вольфрама (а), молибдена |
(б), |
меди |
|
(в), никеля |
(г) |
|||||||
|
|
на валки |
из стали 9Х при |
прокатке |
в различных |
средах: |
|
||||||
д |
— |
в аргоне; |
• |
— в в а к у у м е |
І 0 ~ г мм |
рт. |
ст.; |
О — 1 3 |
в а к у у м е |
Ю - * мм рт. |
ст.; |
||
|
1 |
— область |
в е р о я т н о г о |
н а л и п а н и я ; |
2 — о бласть |
отсутствия |
н а л и п а н и я |
|
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
повышенной стойкостью против налипания. |
|
|||
|
На основании изложенного можно отметить три направления |
|||
по |
предотвращению налипания |
металла |
на валки |
при прокатке |
в |
вакууме: |
|
|
|
|
установление оптимальных |
режимов |
прокатки |
(среда, темпе |
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
мента, |
чтобы |
заранее |
исключить тот из |
них, который |
по |
свой |
||||||
ствам |
не |
отвечает |
высоким |
требованиям, |
предъявляемым |
высо |
||||||
котемпературной |
обработкой |
в вакууме. |
|
|
|
|||||||
В качестве |
испытуемых материалов |
для |
валков были |
выбраны |
||||||||
как известные стали, так и опытные, обладающие |
высокой |
|||||||||||
твердостью, |
повышенной |
термо- и |
жаростойкостью, |
способ |
||||||||
ностью выдерживать высокие давления. При этом для |
более |
|||||||||||
полного |
выявления |
закономерностей |
процессов, связанных |
|||||||||
с налипанием |
при |
прокатке |
в |
вакууме, |
выбирали стали |
различ |
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