Вакуумная деформация тугоплавких металлов

Как уже указывалось, применение вакуумной электроннолучевой и особенно зонной плавки позволяет получать тугоплавкие металлы высокой чистоты, характеризующиеся уникальными физико-химическими и механическими свойствами. Для изготовления из таких металлов различных деформированных полуфабрикатов (листов, прутков, труб и других) потребовалась разработка специальных способов обработки давлением, исключающих загрязнение металлов атмосферными газами. Это особенно относится к горячей деформации, являющейся основным видом обработки давлением в производстве полуфабрикатов и изделий из тугоплавких металлов и их сплавов. Проведение высокотемпературной обработки указанных металлов в атмосферных условиях приводит к интенсивному их окислению и газонасыщению, а также сопровождается значительными потерями металлов при удалении окисленного и газонасыщенного поверхностного слоя.

Так, по данным работы [136], при высокотемпературной ковке молибдена с неоднократным подогревом на воздухе потери металла на окисление составляют 12— 15%; высокотемпературная деформация ниобия и тантала в атмосферных условиях сопровождается потерями от 10 до 30%.

Для сохранения высокой чистоты и предотвращения безвозвратных потерь этих ценных и остродефицитных металлов в России и за рубежом получили применение методы горячей обработки в вакууме и в нейтральных газовых средах (аргоне, гелии). Однако для обеспечения высокого качества поверхности и исключения окис-лообразования, особенно металлов Va группы (ванадия, ниобия и тантала), нагрев, горячую обработку и охлаждение их предпочтительнее проводить в вакууме. Нейтральная газовая среда (аргон, гелий) даже при высокой степени очистки и осушки вследствие некоторого содержания в ней атмосферных газов вызывает изменения в поверхностном слое нагреваемых изделий. Так, содержание кислорода в аргоне после очистки и осушки составляет 0,001—0,002% (по массе), а в вакууме при остаточном давлении 66,5 мПа— 0,000005% (по массе). Большое значение для получения высококачественной поверхности и сохранения высокой степени чистоты поверхностного слоя имеет также степень вакуума, определяемая обычно остаточным давлением в вакуумной камере.

На рис. 19 [8] на примере ниобия и молибдена показано изменение массы образцов в зависимости от остаточного давления в камере. Как следует из этих данных, при остаточном давлении 798 мПа наблюдается значительный рост массы образцов ниобия, и только при переходе к вакууму 66,5 мПа взаимодействие ниобия с газами практически прекращается. Молибден менее чувствителен к взаимодействию с газами даже при остаточном давлении 798 мПа, что связано с возгонкой образующихся окислов молибдена при нагреве. Электронографические исследования показали, что при остаточном давлении 798 и 66,5 мПа на поверхности тугоплавких металлов не образуется заметных окисных пленок, и увеличение массы образцов в основном обусловлено растворением газов в металле.

Однако, по мнению проф. А. В. Крупина, исходя из термодинамического анализа условий безокислительной обработки при выборе остаточного давления в камере необходимо также учитывать давление диссоциации окислов металлов в данных температурных условиях горячей обработки. Полностью безокислительная обработка при данной температуре будет обеспечиваться в том случае, если давление диссоциации окислов будет выше остаточного давления кислорода в вакуумной камере. В этом случае реакция окисления будет сдвинута в сторону диссоциации окислов, а процесс окисления практически прекратится.

Термодинамические расчеты показывают, что для вольфрама и молибдена, имеющих высокое давление насыщенных паров окислов, безокислительная обработка может быть полностью обеспечена при температуре 1700—1800° С.

Металлы Va группы — ниобий, тантал и ванадий, а также легирующие добавки — цирконий и титан имеют низкие значения давления диссоциации (13,3-Ю^-8— 13,3-Ю^-9 мПа), не соизмеримые с реально достижимым разрежением в вакуумных камерах. Поэтому применение технически доступного вакуума при высокотемпературной обработке этой группы металлов не может обеспечить термодинамически безокислительные условия обработки. Подробно термодинамические расчеты рассмотрены в монографии [136].

Однако экспериментально установлено, что при горячей обработке вольфрама, молибдена, хрома и рения в вакууме 13,30—133 мПа, а ниобия, тантала, ванадия и титана в вакууме 13,3—13,3-Ю^-2 мПа получается достаточно чистая, практически неокисленная поверхность.

Для осуществления процессов горячей вакуумной обработки тугоплавких металлов в настоящее время созданы конструкции вакуумных прокатных станов для прокатки листов и труб, вакуумных прессов для горячего прессования прутков, труб и профильных изделий, ковочных вакуумных прессов.

В табл. 41 приведены основные технические характеристики отечественных и зарубежных вакуумных прокатных станов. Не останавливаясь на разборе конструкции всех станов, которые подробно описаны в монографии [137], рассмотрим в качестве примера конструкцию вакуумного стана ДУО-400, наиболее полно отвечающего производственным требованиям. Конструктивная схема этого стана показана на рис. 81. Прокатный стан представляет сложный вакуумный агрегат, состоящий из следующих основных узлов: камеры загрузки 6, камеры нагрева 10, камеры прокатки с вакуумированными валками 12 и камеры охлаждения 13. Камеры нагрева и прокатки объединены в одну вакуумную систему, соединение которой с камерой загрузки 6 и камерой охлаждения 13 осуществляется с помощью вакуумных затворов 7. Камера загрузки изолирована от атмосферы вакуумным затвором 3. Перемещение прокатываемой заготовки и полученного листа осуществляется рольгангами 1, 4, 8 и 14. Исходные заготовки подаются на рольганг 4 камеры загрузки 6 с помощью многоярусной этажерки 5. Подъем заготовок в нагревательную камеру 10 осуществляется с помощью пневмоподъемника 9, а выдача прокатанных листов 15 из камеры охлаждения 13 — через верхнюю ее крышку подъемником 17 [138, с. 104].

Процесс прокатки осуществляется в следующем порядке.

Исходная заготовка подается на рольганг 1 приемного стола, а затем при открытии затвора 3 поступает на рольганг 4, который с помощью приводного механизма 2 при опускании в крайнее нижнее положение этажерки 5 перемещает заготовку в верхнюю секцию многоярусной этажерки. После этого этажерка поднимается до совмещения следующей ее секции с уровнем роликов рольганга 4 для загрузки очередной заготовки. По заполнении этажерки заготовками вакуумный затвор 3 закрывается и начинается откачка камеры загрузки до необходимого вакуума. Затем открываются затворы 7, и уложенная с этажерки на рольганг 4 первая заготовка с помощью привода 2 перемещается в камеру нагрева 10, в которой заготовка с помощью подъемника 9 поступает в печь, после чего опускается экран 11, препятствующий нагреву рольганга 8. При нагреве заготовки до требуемой температуры подъемник опускает ее на рольганг 8, который транспортирует и задает заготовку в валки 12 рабочей клети.

Прокатанная полоса попадает на рольганг 14 камеры охлаждения 13, с которого пневмотолкателем 16 сталкивается на поддон 15, где охлаждается до комнатной температуры. После прокатки всех заготовок, загруженных в этажерку, затворы 7 закрываются, а камера охлаждения девакуумируется путем подъема верхней крышки, и прокатанные листы с помощью подъемника 17 извлекаются из камеры.

Прокатка тугоплавких металлов в вакууме в отличие от обычной прокатки на воздухе характеризуется некоторыми специфическими особенностями. В результате исследования основных параметров прокатки ниобия в вакууме и на воздухе (уширение, опережение, коэффициент трения, удельное давление и др.) в широком интервале температур — от 300 до 1300 °C [138] было установлено, что уширение, коэффициент трения и удельное давление при прокатке ниобия в вакууме несколько выше, чем при прокатке в воздушной среде (рис. 82). Повышение коэффициента трения и удельного давления и связанное с этим увеличение усилия при прокатке (в 1,5—2 раза) при горячей обработке в вакууме многие исследователи связывают с устранением окисной пленки на поверхности прокатываемых металлов, которая выполняет функции смазки. Устранение окисной пленки и повышение удельного давления при вакуумной прокатке является одной из причин налипания металла на валки.

Одновременно с этим отмечается повышение деформируемости металла (в 2—3 раза). Последнее является результатом очистки ниобия в процессе высокотемпературной вакуумной деформации.

Некоторые данные, характеризующие изменение содержания газов в тугоплавких металлах при вакуумной прокатке, приведены в табл. 42, где для сравнения даны соответствующие результаты прокатки на воздухе и в нейтральных средах.

Как следует из этих данных, в процессе вакуумной прокатки происходит значительная очистка от газовых примесей.

В ряде работ, обобщенных в монографии [136], было показано, что вакуумная прокатка оказывает существенное влияние на физико-химические и механические свойства тугоплавких металлов.

Таблица 42

Содержание газов в тугоплавких металлах, прокатанных в различных средах [136]

Металлы	Среды	Температура прокатки, °C	Содержание газов, % (по массе)
			о2	н2
Ниобий*	Исходное со-	—	0,025	0,001	0,01
	стояние
	Воздух	1100	0,13	0,003	0,02
		1200	0,18	0,005	0,03
	Аргон	1200	0,045	0,0012	0,012
	Вакуум 10-3	1100	0,025	0,0008	0.01
	мм рт. ст.	1200	0,03	0,0008	0,01
	Вакуум 2,66	1100	0,025	0,0006	0,008
		1200	0,022	0,0008	0,007
		1300	0,02	0,0008	0,008
Тантал	Исходное со-	—	0,01	0,005	—.
	стояние
	Гелий	1300	0,006	0,01	—
	Вакуум    .	1300	0,001	0,005	—.
	6,68 мПа
Вольфрам	Исходное со	—	0,018	0,0010	0,003
спеченный**	стояние
	Воздух	1300	0,023	0,0008	0,003
	Вакуум
	6,65 мПа	1300	0,002	0,0003	0,003
Вольфрам	Исходное со-	—-	0,001	0,0001	0,001
электронно-	стояние
лучевой	Воздух	1200	0,030	0,0010	0,001
зонной	Вакуум
плавки**
	6,65 мПа	1200	За пределами чувствитель-
			ности метода вакуумплав-
			ления

Некоторые данные о влиянии вакуума, воздушной и нейтральных сред на механические свойства прокатанного ниобия и тантала приведены на рис. 83.

Из этих данных следует, что особенно сильное влияние вакуумная прокатка оказывает на пластичность указанных металлов, что обусловливается повышением чистоты металлов в процессе вакуумной прокатки. Она оказывает также влияние на физические свойства тугоплавких металлов и их коррозионную стойкость [136].

В России, помимо вакуумных прокатных станов, создано промышленное оборудование для вакуумного прессования прутков, труб и профильных изделий. В зависимости от расположения вакууумной камеры прессования промышленные прессы подразделяются на вертикальные и горизонтальные. На рис. 84 в качестве примера приведена конструктивная схема вертикального пресса для горячего прессования тугоплавких металлов в вакууме и в нейтральных средах [137].

Пресс представляет собой единый вакуумный агрегат, состоящий из следующих основных узлов: электропечи сопротивления 1 для нагрева слитков до 1800° С, транспортирующего устройства 3 для передвижения заготовки к блок-контейнеру для прессования изделий 5, приемника изделий 6 и вакуумной системы 7. Вакуум в системе обеспечивается двумя насосами ВН-1, бустерным насосом ВН-3 и паромасляным насосом М-2500. Минимальное остаточное давление в камере прессования 13,3 мПа.

Работа на прессе осуществляется в следующем порядке. При вакуумировании системы заготовка при помощи подъемника 2 подается в печь 1, где нагревается до требуемой температуры горячей обработки. Затем нагретая заготовка при помощи тележки или по естественному наклону транспортера 3 подается в прессующий узел пресса. Схема прессующего узла показана на рис. 85.

На основании изложенного можно сделать следующий вывод: применение вакуума при горячей обработке тугоплавких металлов и сплавов позволяет практически полностью исключить их окисление и газонасыщение, что делает возможным получение различных* деформируемых полуфабрикатов из чистых и сверхчистых тугоплавких металлов и сплавов электроннолучевой и зонной плавок без загрязнения газовыми примесями.

Сохранение высокой чистоты и отсутствие загрязненного поверхностного слоя при вакуумной обработке способствует значительному улучшению физико-химических и механических свойств готовых полуфабрикатов из тугоплавких металлов и их сплавов. Особенно заметно повышается пластичность металлов, снижается порог хрупкости и значительно улучшается коррозионная стойкость.