Технология производства биметаллов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Физические основы процессов получения биметаллов

1.1 Процессы, протекающие в твердой фазе

1.2 Процессы, протекающие с формированием жидкой фазы в зоне соединения биметаллов

2. Классификация способов изготовления биметаллов

3. Наплавка и сварка

3.1 Электрошлаковая наплавка

3.1.1 ЭШН неподвижным электродом

3.1.2 ЭШН заливкой жидкого присадочного металла

3.1.3 ЭШН в наклонном положении

3.1.4 ЭШН в вертикальном положении

3.1.5 Широкослойная ЭШН

3.2 Многослойная дуговая наплавка

3.3 Электрошлаковый обогрев (ЭШО)

3.4 Электрошлаковая сварка

3.5 Сварка взрывом

3.6 Диффузионная сварка

4. Способы получения биметаллов литьем

4.1 Литейное плакирование

4.2 Непрерывное литье

4.3 Центробежное литье

5. Получение биметаллов ОМД

5.1 Прокатка

5.1.1 Прокатка биметаллических заготовок в горячем состоянии

5.1.2 Прокатка заготовок в холодном состоянии

5.1.3 Совместная прокатка двух или более металлов или сплавов в виде порошка

5.1.4 Сварка прокаткой

5.2 Изготовление биметаллической заготовки прессованием двух и более металлов в горячем состоянии

5.3 Изготовление биметаллов волочением заготовки

5.3.1 Совместное волочение в горячем и холодном состоянии

5.3.2 Технология волочения биметаллической медной проволоки с использованием серебряного сердечника

Заключение



Введение

В настоящее время существует большое количество различных методов получения биметаллов, что объясняется большим разнообразием биметаллов по их видам и композициям, а также стремлением найти самый рациональный метод получения для каждого вида. В патентной литературе уже зарегистрировано несколько тысяч патентов на способы получения различных видов биметаллов. Производством биметаллов занято большое количество заводов как в СССР, так и за рубежом. Естественно, что на технологию производства биметаллов накладывает отпечаток и состав оборудования завода, на котором организовано его производство. Несмотря на разнообразие методов получения различных биметаллов, нашедших применение в промышленности, их можно разделить на три группы, причем каждая группа объединяется основным принципом получения заготовки биметалла: а) получение заливкой; б) получение совместной пластической деформацией; в) получение наплавкой, электросваркой или другим методом соединения, не требующим обязательной пластической деформации для создания прочного соединения.



1. Физические основы процессов получения биметаллов

1.1 Процессы, протекающие в твердой фазе

Явление соединения металлов в твердом состоянии впервые заинтересовало исследователей, когда они обнаружили взаимодействие тел в процессе трения. В середине позапрошлого века появились первые гипотезы о взаимодействии твердых металлов, базирующиеся на атомно-молекулярной теории. Начало практического применения процессов схватывания металлов относится к тем незапамятным временам, когда человек стал использовать кузнечную сварку и технологические приемы порошковой металлургии. Отставание теоретических представлений о природе схватывания металлов от практических достижений в области получения неразъемных металлических соединений сохранилось до наших дней, что можно объяснить сложностью процессов, протекающих в зоне контакта соединяемых металлов, а также трудностями количественной оценки ряда факторов, оказывающих существенное влияние на прочность схватывания. Представления ученых о природе и механизмах соединения металлов в твердой фазе нашли отражение в ряде гипотез [1, 2].

Одной из первых была создана рекристаллизационная гипотеза, основанная на том, что при высоких деформациях, возникающих в зоне контакта, температура рекристаллизации соединяемых металлов понижается и происходит их совместная рекристаллизация. Таким образом, в зоне контакта возникают «общие» зерна, определяющие прочность соединения. Однако это положение противоречит многочисленным экспериментальным данным, отрицающим возможность рекристаллизации в некоторых конкретных условиях, обеспечивающих образование прочного соединения металлов.

В частности, показано, что соединение металлов может происходить и при очень низких температурах, исключающих возможность рекристаллизации. Не подтверждает эту гипотезу и то, что скорость деформирования, существенно влияющая на процессы рекристаллизации, не оказывает заметного воздействия на прочность соединения. Следовательно, рекристаллизационная гипотеза рассматривает структурные изменения в уже образовавшемся соединении.

Исследования влияния оксидных пленок на способность металлов к схватыванию привели к созданию пленочной гипотезы, сущность которой сводится к следующему. Для образования соединения двух металлов достаточно сблизить их контактные поверхности на расстояние действия межатомных сил (при этом контактные поверхности не должны иметь загрязнений и оксидных пленок). В реальных условиях на поверхности соединяемых металлов всегда имеется оксидная пленка, препятствующая схватыванию. Следовательно, схватывание двух металлов возможно только в том случае, если в процессе соединения оксидные пленки разрушаются и одновременно обнажаются ювенильные поверхности. Это может происходить при совместной пластической деформации соединяемых металлов в том случае, если пленка тверже основного металла. Такая пленка, деформируясь, растрескивается, дробится на отдельные куски, обнажая чистые участки поверхности металла. Если же пленка мягче основного металла, то она при деформации будет растекаться вместе с поверхностью основного металла, не нарушая своей целостности. В этом случае освобождения участков поверхности от оксидной пленки не происходит и схватывание металлов невозможно. Таким образом, показывая действительно большую роль поверхностных пленок в процессе соединения, авторы пленочной гипотезы не учитывают природы самих соединяемых металлов, тогда как экспериментально доказано, что схватывание металлов зависит главным образом от их физико-химических свойств, в частности от соотношения атомных диаметров, ориентации кристаллических решеток в плоскости контакта, различных структурных дефектов и других факторов.

Механическая теория соединения разнородных металлов, в которой процесс схватывания разделяется на три стадии. В начальный момент происходит совместная пластическая деформация металлов и оксидных пленок, затем - растрескивание пленок и пластическая деформация только соединяемых металлов. Считают, что в этот момент уровень действующих нормальных нагрузок недостаточен для выдавливания металлов через трещины оксидных пленок. Дальнейшее увеличение контактной поверхности приводит к расширению трещин, выдавливанию более мягкого металла и образованию мостиков схватывания [1, 2].

Сторонники диффузионной гипотезы объясняют соединение металлов диффузионными процессами в зоне контакта, протеканию которых способствуют высокое давление и вызываемая им теплота. Известно, что скорость диффузии при обычной температуре почти во всех металлах незначительна. Предположение о локальном нагреве зоны соединения в местах выхода дислокаций малоубедительно. Противоречит диффузионной гипотезе и тот экспериментальный факт, что скорость деформирования практически не влияет на величину деформации, при которой происходит схватывание. Большинство исследователей считают, что почти во всех случаях взаимодействия металлов в твердом состоянии диффузионные процессы оказывают влияние (оно может быть как положительным, так и отрицательным) на формирование соединения. Однако диффузия начинается не раньше, чем создаются металлические связи, т.е. в образовании последних диффузионные процессы не могут участвовать.

Е.И. Астров связывает [30] образование соединения при совместном деформировании металлов с их пластическим течением в зоне контакта, вызванным деформацией микронеровностей (выступов), возникновением и движением дислокаций, приводящих к образованию металлических связей. При этом способность металлов к схватыванию зависит от их пластичности и сопротивления деформации. Е. И. Астров предлагает в качестве количественной характеристики способности металла к схватыванию применять отношение его твердости по Бринеллю к относительному удлинению. С уменьшением этого отношения способность металла к схватыванию должна возрастать. Сопоставив этот вывод с экспериментальными данными о холодной прокатке двухслойных клиновидных образцов из пластин одного и того же металла, он расположил исследованные металлы по способности к схватыванию в следующий ряд: свинец, олово, золото, серебро, алюминий, медь, кадмий, никель, цинк.

Создатель энергетической гипотезы А.П. Семенов считает [30], что способность металла к схватыванию определяется энергией его атомов, находящихся в зоне контакта. При достижении определенного уровня или так называемого энергетического порога схватывания между сближенными до физического контакта поверхностями образуются металлические связи. По определению А.П. Семенова, «схватывание металлов -- явление, заключающееся в образовании металлических связей и, следовательно, прочных соединений в результате совместного пластического деформирования». Процесс схватывания начинается на отдельных участках, где наблюдается случайное совпадение кристаллографических поверхностей (совпадают направления кристаллических связей в металлах). При этом высвобождается энергия, которая передается соседним объемам металла, повышая энергию их атомов. Если эта энергия достигнет уровня порога схватывания, то может возникнуть самовозбуждающийся процесс схватывания. Основным доводом, приводимым А. П. Семеновым в защиту своей гипотезы, является тот экспериментально подтвержденный им факт, что предварительный нагрев контактных поверхностей, их упругая деформация и нагрев, повышающие энергию атомов, способствуют схватыванию металлов.

Ю.Л. Красулин и М.X. Шоршоров предлагают [30] рассматривать соединение металлов в твердой фазе как трехстадийный процесс: 1) образование в результате пластической деформации контакта между соединяемыми металлами, т.е. сближение их на расстояние действия межатомных сил; 2) активация контактных поверхностей и образование активных центров -- дислокаций, выходящих на поверхность контакта и создающих поля упругих напряжений, энергии которых достаточно для создания металлических связей; 3) объемное взаимодействие - развитие зоны схватывания поверхности контакта и распространение взаимодействия металлов в приконтактные объемы, завершающееся релаксацией напряжений, а в ряде случаев рекристаллизацией зерен соединяемых (однородных) металлов, а также диффузионными процессами. Следует отметить, что такой стадийный процесс справедлив только для микроскопических зон соединения, вследствие неоднородности реальных контактных поверхностей на разных микроучастках возможны одновременно разные стадии процесса.

М.X. Шоршоров и С.С. Дрюндин [30] на основе теории топохимических реакций рассмотрели кинетику соединения металлов в твердой фазе и предположили, что прочное соединение образуется в результате зарождения и роста так называемых центров прочной связи. В результате получили общее кинетическое уравнение, связывающее рост прочности соединения с основными параметрами процесса. Авторы отмечают, что в большинстве случаев кинетика процесса состоит из нескольких стадий и не может быть описана с помощью уравнений химических реакций первого порядка.

В результате исследования производства биметаллов ОМД были получены сведения, которые предполагают рассматривать соединение металлов в условиях совместной пластической деформации при высоких температурах, как комплексный процесс, который можно разделить на 5 стадий [1].

Первая стадия - развитие механической связи между слоями, обжатие неровностей поверхностных слоев, частичное разрушение оксидных пленок толщиной тм1 и тм2, а также контактирование локальных участков ювенильных поверхностей, сопровождающееся появлением узлов схватывания.

Вторая стадия - превращение узлов схватывания в мостики сцепления m1, m2, m3, что приводит к уменьшению свободной энергии контактирующих поверхностей и появлению вблизи границы раздела зон с повышенной концентрацией вакансий, дислокаций и других дефектов строения металла. При этом участки разрушенных оксидных пленок, находящиеся между мостиками сцепления, стремятся превратиться в отдельные шаровидные частицы, обладающие меньшим запасом свободной энергии.

Третья стадия - мостики сцепления превращаются в межслойную границу в результате диффузионных процессов, вызванных воздействием температуры и усиленных появлением дефектов строения металлов вблизи границы раздела слоев. Одновременно происходит измельчение и «рассасывание» частиц оксидных пленок, чему способствуют процессы рекристаллизации, перестраивающие поверхности контактирующих зерен.

С.А. Голованенко выделяет [30] в процессе образования соединения при горячей прокатке еще два этапа (стации): четвертый -- охлаждение и пятый -- термическая обработка. На четвертой стадии продолжаются изменения структуры и свойств соединения в результате аллотропического превращения или выпадения избыточных фаз. Результаты этих процессов определяются составом соединяемых металлов и скоростью охлаждения. При этом прочность соединения слоев может как возрастать, так и снижаться.

Пятая стадия - охватывает явления, вызываемые последующей термической обработкой биметалла. При этом в сплавах, претерпевающих фазовые превращения, происходит перекристаллизация, а в остальных сплавах -- рекристаллизация и релаксация напряжений. В зоне соединения во время термической обработки интенсивно протекают диффузионные процессы.



1.2 Процессы, протекающие с формированием жидкой фазы в зоне соединения биметаллов

При производстве металлических композитов литьем, пайкой и наплавкой соединение компонентов происходит в результате взаимодействия твердого металла с жидким или двух жидких металлов.

Способность металлов к соединению в этих случаях определяется их взаимной растворимостью, а также возможностью образования хрупких химических соединений - интерметаллидов. Металлы, не обладающие взаимной растворимостью в жидкой состоянии, при расплавлении образуют несмешивающиеся слои, которые после затвердевания легко разделить. Наиболее прочное соединение образуют металлы, способные к неограниченной взаимной растворимости не только в жидком, но и в твердом состоянии. Промежуточное положение занимают композиции: металлов, имеющих ограниченную растворимость в твердом состоянии; металлов, нерастворимых в твердом, но растворимых в жидком состоянии; металлов, образующих интерметаллидные фазы. Взаимная растворимость металлов определяется сходством их кристаллических решеток, соотношением атомных радиусов и другими факторами. Следует учитывать, что растворимость металлов, образование интерметаллидов в значительной мере зависят от температуры, поэтому правильный выбор режимов получения композиционных материалов во многих случаях позволяет уменьшить отрицательное влияние ограниченной растворимости, свести к минимуму или полностью исключить образование хрупких соединений [4].

В большинстве технологических процессов рассматриваемой группы соединение металлов достигается при взаимодействии расплавленного металла с твердым. Образование прочного соединения при этом во многом определяется явлениями, происходящими на границе раздела: поверхностное и межфазное натяжение; смачивание твердой поверхности металла жидким; растекание жидкого металла по поверхности твердого, сопровождаемое диффузией; растворение твердого металла жидким.

Один из основных параметров, характеризующих взаимодействие разнородных металлов в жидкой фазе, - смачивание, способствующее образованию физического контакта между поверхностями соединяемых металлов. Смачивание определяется соотношением температур плавления твердого и жидкого металлов. Физико-химические процессы в зоне соединения протекают активней, когда температура поверхности твердого металла выше температуры плавления жидкого. Если это условие не выполняется, то жидкий металл на поверхности твердого будет кристаллизоваться, что затруднит процессы смачивания и растекания [3].

Нередко приходится соединять металлы, имеющие существенную разницу в температурах плавления, например сталь и алюминий. В этом случае необходимо в первую очередь свести к минимуму возможность образования интерметаллических соединений, для чего в расплав обычно вводят элементы, замедляющие образование хрупких фаз, а также покрывают твердый металл слоем другого, не образующего с жидким металлом интерметаллиды.

Если процесс образования соединения двух жидких металлов во многом определяется их перемешиванием в граничной зоне, то взаимодействие жидкого металла с твердым, кроме того, характеризуется растворением твердой составляющей в жидкой. Для получения прочного соединения процессы сварки необходимо проектировать при минимальном развитии процесса растворения твердого металла [3, 5].

Скорость диффузионных процессов на границе твердый - жидкий металлы характеризуется интенсивностью процесса диффузии в твердом металле, поскольку она во много раз меньше скорости диффузии в жидком металле и определяется в основном природой и временем нахождения металлов при повышенных температурах.

Структура зоны соединения составляющих после охлаждения должна соответствовать условиям равновесия твердого и жидкого металлов на диаграмме состояний. Она зависит от скорости процессов растворения и химических реакций. Если скорость химических реакций значительно опережает скорость растворения, может возникнуть промежуточная тугоплавкая фаза, которая затруднит доступ жидкого металла к твердому и задержит образование фазы, возникающей при растворении.



2. Классификация способов изготовления биметаллов

Рисунок 2.1 - Классификация способов изготовления биметаллов

Все спосбы изготовления биметаллов делятся на сварочные процессы (сварку и наплавку), литейное производство, к которому относятся литейное плакирование, а также центробежное и непрерывное литьё, и обработку давлением, которая включает в себя некоторые способы волочения, прессования, и прокатку. Прокатка является самой распространённой операцией для получения бимеиаллического изделия.



3. Наплавка и сварка

3.1 Электрошлаковая наплавка

3.1.1 ЭШН неподвижным электродом

При ЭШН в вертикальном положении наплавляемой поверхности проплавление основного металла возрастает по мере продвижения шлаковой ванны вверх. Это не позволяет получить однородный химический состав наплавленного металла по длине заготовки, что неприемлемо для производства биметаллов [6]. ЭШН неподвижным электродом позволяет получить биметаллические и многослойные изделия с равномерным и минимальным проплавлением основного металла и однородным химическим составом наплавленного металла. Наплавка протекает с использованием плавящегося электрода большого сечения, неподвижно установленного с малыми зазорами в пространстве между наплавляемым и основным металлами [7]. Благодаря малым зазорам равномерное проплавление достигается при ЭШН автоматически за счёт саморегулирования процесса. Сущность способа получения плоской биметаллической заготовки поясняет рисунок 3.1. Две пластины, соответствующие по размерам, форме и химическому составу слоям будущей будущей биметаллической заготовки, устанавливают вертикально в разъёмном водоохлаждаемом кристаллизаторе 3. Пластина из более легкоплавкого металла используется в качестве электрода 1, другая - как наплавляемая пластина 7. На поверхность электрода перед сборкой наносят слой специального электроизолирующего пористого покрытия 2. Объём плотной части покрытия равен объёму образующейся в процессе наплавки шлаковой корки, а объём пор - величине теплового расширения электрода при его нагреве до температуры плавления [8, 9].

Покрытый электрод устанавливают вплотную к формирующим поверхностям кристаллизатора и наплавляемой плите. Плиту и электрод подключают к различным полюсам источника тока 8, а кристаллизатор, под нижний торец электрода, заливают предварительно расплавленный шлак. Рабочий ток, проходя через шлаковую ванну 4, поддерживает в ней температуру, достаточную для оплавления торца электрода. Расплавленный металл стекает вниз, образуя металлическую ванну 5, а шлак вытесняется вверх. После кристаллизации наплавленного металла 6 образуется его надёжное соединение с металлом заготовки.

1 - пластина из легкоплавкого металла; 2 - слой специального электроизолирующего пористого покрытия; 3 - водоохлаждаемый кристаллизатор; 4 - шлаковая ванна; 5 - металлическая ванна; 6 - наплавленный металл; 7 - наплавляемая пластина; 8 - источник тока; 9 - тепловой центр в шлаковой ванны.

Рисунок 3.1 - Схема процесса ЭШН неподвижным электродом

При малых зазорах существенно изменяется характер распределения тока и тепловыделения в шлаковой ванне в процессе наплавки. Основная часть электрического тока протекает между оплавляемой поверхностью торца электрода и наплавляемой поверхностью, а зона преимущественного выделения тепла смещается в верхние слои шлаковой ванны 9.

Плавление электрода происходит не одновременно по всему сечению, а на отдельных участках, где проводимость шлака в данный момент максимальна. За счёт преимущественного прохождения тока на участках образуется горячая зона, в которой концентрируется большая часть тепловой мощности, выделяемой в шлаковой ванне [10, 11]. Это приводит к значительному локальному повышения уровня шлака и интенсивному местному оплавлению электрода и кромки наплавляемой детали. По мере оплавления электродного и основного метвллов на участках максимальной проводимости шлака увеличивается расстояние между оплавляемыми поверхностями, в результате чего в этих точках снижается проводимость промежутка и электрический ток начинает протекать на других участках, где оплавление ещё не наступило [6, 11].

Горячая зона быстро совершает поперечные перемещения по поверхности шлаковой ванны, равномерно оплавляя торец электрода и поверхность заготовки. Температурное поле в зоне плавления характеризуется сжатыми изотермами и большим градиентом температур. Довольно быстро стабилизируется проплавление по длине наплавленного слоя металла. Наплавка протекает без перегрева металлической ванны, она имеет малую глубину и поэтому наплавленный металл быстро кристаллизуется. Стабилизация проплавления основного металла происходит из-за саморегулирования процесса перемещения горячей зоны в шлаке. На участках с повышенным теплоотводом скорость перемещения горячей зоны несколько снижается, что компенсирует потери тепла; на участках с пониженным теплоотводом она увеличивается. При этом проплавление остаётся постоянным. Неизбежные колебания режима не оказывают существенного влияния на глубину проплавления, а лишь изменяют скорость перемещения горячей зоны и скорость наплавки [10, 12].

3.1.2 ЭШН заливкой жидкого присадочного металла

Высокопроизводительный способ ЭШН жидким присадочным металлом позволяет получать качественное соединение слоёв с минимальным подплавлением основного металла. Сущность способа применительно получению плоской биметаллической заготовки поясняет рисунке 3.2. Металлическая заготовка перед наплавкой помещается горизонтально в водоохлаждаемую изложницу. На неё наливается предварительно расплавленный шлак. В шлаковую ванну вводятся неплавящиеся (обычно графитовые) электроды, с помощью которых производится электрошлаковый нагрев поверхности заготовки. Равномерность нагрева по поверхности достигается правильным сечением формы и взаимного расположения электродов, а также перемещением из в горизонтальной плоскости. В процессе электрошлакового нагрева поверхность очищается от оксидов и загрязнений, что позволяет отказаться от предварительной механической обработки и других видов подготовки поверхности к наплавке [13]. По достижении заданной температуры на поверхность заготовки сквозь слой шлака заливают жидкий присадочный металл, выплавляемый предварительно. Залитый металл кристаллизуется, для чего уменьшают мощность электрошлакового процесса, поддерживая при этом температуру шлаковой ванны выше температуры металла. В результате, по толщине наплавляемого слоя создаётся градиент температур, обеспечивающий кристаллизацию наплавляемого металла в направлении от основного слоя металла к шлаковой ванне. При этом предотвращается образование усадочных рыхлостей в наплавленном металле. Шлак на поверхности кристаллизующегося металла способствует получению гладкой поверхности наплавленного слоя [8].

Применение неплавящихся электродов позволяет в широких пределах изменять температурное поле в металле до и после заливки присадочного металла, регулировать качество соединения слоёв, воздействовать на кристаллизацию наплавляемого металла. Поскольку электрошлаковому нагреву подвергают всю поверхность заготовки, достигающую 1 - 3 , жидкий присадочный металл заливают одной порцией (до 500 - 700 кг/мин), что обеспечивает очень высокую производительность ЭШН. Относительно небольшая стоимость жидкого присадочного металла способствует снижению стоимости биметалла. Продолжительность и равномерность нагрева заготовки при ЭШН во многом определяется теплофизическими свойствами применяемого шлака, от которого зависит устойчивость электрошлакового процесса, распределение тока и интенсивность выделения тепла в шлаковой ванне, а также подвижность шлака и характер теплопередачи к основному металлу [7].

1 - основной слой; 2 - изложница; 3 - шлаковая ванна; 4 - неплавящиеся электроды; 5 - жидкий присадочный металл; 6 - жидкий металл плакирующего слоя; 7 - затвердевший металл плакирующего слоя.

Рисунок 3.2 - Схема электрошлаковой наплавки жидким присадочным металлом

Рассмотренный способ позволяет наплавлять различные высоколегированные стали, в том числе коррозионно-стойкие, содержащие титан, обеспечивая однородный химический состав металла. Биметаллический лист полученный из наплавленных заготовок массой до 6 т с последующей прокаткой, имеет прочность сцепления (на срез и отрыв) слоёв биметалла различных марок до 300 - 400 МПа, что в два раза превышает минимально допустимую прочность сцепления [9].

3.1.3 ЭШН в наклонном положении

Для производства листовых биметаллических двух- и трёхслойных заготовок были сконструированы специальные установки наклонного типа (далее - установка наклонной ЭШН) с наклонным расположением сляба основного слоя. Принципиальная схема наклонной ЭШН представлена на рисунке 3.3. В плавильном пространстве, образованном наклонной поверхностью сляба и кристаллизатором, наводится жидкая ванна предварительно расплавленного шлака. Вертикально расположенные электроды, которые могут быть как сплошного сечения, так и составленные из отдельных пластин, стержней, квадратов, подаются сверху вниз с одновременным передвижением сляба. Расплавление электродов и подплавление поверхности сляба происходят за счёт протекания электрошлакового процесса при подаче тока по трёхфазной схеме. При непрерывном перемещении сляба от начала до конца процесса под кристаллизатором формируется весь наплавленный слой. Шлак в процессе ЭШН выполняет роль теплоносителя и должен обеспечивать рафинирование и качественное формирование наплавленного металла. При наклонной схеме так же, как и при горизонтальной, хотя и в меньшей степени, могут возникнуть проблемы с обеспечением равномерного проплавления основы, а следовательно, равномерной толщины наплавленного слоя [14]. Для устранения этой проблемы были опробованы и внедрены специальные технологические приёмы, направленные на повышение равномерности глубины проплавления основного слоя, которые рассмотрены ниже. Наклонная ЭШН позволяет также получить более высокое качество поверхности проката, чем при горизонтальной ЭШН [7]. Это связано с ориентацией литой структуры наплавленного слоя по отношению к направлению прокатки. В качестве основного слоя используют защищённые с наплавляемой стороны непрерывно литые слябы размерами (190-240) на (1000-1700) на (4000-5000) мм. Возможна также наплавка на слитки или слябы промежуточной толщины, например, 400-450 мм [15].

В качестве расходуемых электродов часто используют сортовой прокат диаметром 30-60 мм, который сваривают между собой по длине (в один и в два ряда) для получения трёх сборных электродов, перекрывающих большую часть ширины сляба. Возможно также использование листового проката толщиной 30-60 мм и шириной от 100-120 до 400 мм.

Сортовой прокат предпочтительнее, так как обеспечивает более равномерное проплавление основы. В качестве плакирующего слоя чаще всего используют стали марок 08Х13, (08-12)Х18Н10Б, а в качестве основного слоя Ст.3, 09Г2С, 12ХМ, сталь 10, 20.

1- сляб основы; 2- расходуемые электроды; 3 - жидкая шлаковая ванна; 4 - наплавленный слой; 5 - кристаллизатор; 6 - направляющие рельсы; 7 - тележка для сляба; L - длина сляба; > - направление движения тележки.

Рисунок 3.3 - Схема получения двухслойного сляба методом широкослойной ЭШН

К настоящему времени методом наклонной ЭШН освоено производство двух- и трёхслойных заготовок толщиной 220-475 мм, шириной 1000-1700 мм и длиной 3000 - 5000 мм при толщине плакирующего слоя 30 - 70 мм [7].

3.1.4 ЭШН в вертикальном положении

В последнее время освоено производство двухслойных заготовок методом ЭШН с вертикальным расположением сляба основного слоя при использовании стандартного оборудования, предназначенного для электрошлакового переплава (ЭШП). Для этого потребовалась определённая реконструкция имеющегося оборудования и решение ряда инженерных задач, обеспечившие получение требуемого качества выпускаемой металлопродукции. В России предлагается технология, способствующая возрождению многочисленного парка электрошлаковых печей. Наличие печей, рассчитанных на получение электрошлаковых слитков массой до 50 кг до 20 т, даёт возможность разработать технологию производства двухслойных заготовок разнообразного размерного сортамента в значительных объёмах, поскольку мощность парка электрошлаковых печей в России составляет 200 тыс. в год.

На основе принципа вертикальной электрошлаковой наплавки разработана технология производства коррозионно-стойкого двухслойного листового проката с основным слоем из конструкционной стали и плакирующим слоем из коррозионно-стойкой хромистой, хромоникелевой, хромоникельмолибденовой и других сталей. После проведения предварительных исследований предложена технология получения двухслойных заготовок массой до 10 т. Схема формирования двухслойной заготовки изображена на рисунке 3.4. Для осуществления наплавки на кристаллизаторе устанавливают сляб основного слоя с таким расчётом, чтобы у одной из стенок кристаллизатора осталась полость, составляющая примерно 12-15 % внутреннего объёма кристаллизатора. В этой полости посредством плоского расходуемого электрода, через который пропускают ток, наводится жидкая шлаковая ванна и последовательно по высоте кристаллизатора формируется плакирующий слой при плавлении материала расходуемого электрода из коррозионно-стойкой стали.

Электрошлаковая печь ЭШП-10 рассчитанная на производство электрошлакового литого слитка массой 5,5-10 т, в обычном варианте не приспособлена для получения двухслойного металла, поэтому для внедрения нового способа наплавки потребовались специальные подготовительные операции, связанные с различием размерных параметров обычного электрошлакового и двухслойных слитков. Часть требований к биметаллу является обычной для электрошлакового металла - это высокое качество поверхности, отсутствие внутренних дефектов, несплошностей, шлаковых включений, ограниченное содержание неметаллических включений и газов. В то же время такие требования к двухслойному металлу, как соотношение толщин слоёв, равномерность толщины плакирующего слоя в листе, высокая прочность сцепления слоёв и сплошность соединения по всей площади заготовки и листа, привели к созданию специальной технологии наплавки, по основным параметрам принципиально отличающейся от технологии электрошлакового переплава [15].

1 - водоохлаждаемый кристаллизатор; 2 - расходуемый электрод из коррозионно-стойкой стали; 3 - сляб основного слоя из углеродистой стали; 4 - шлаковая ванна и тепловой центр; 5 - металлическая ванна; 6 - наплавленный металл; 7 - боковые уплотнения.

Рисунок 3.4 - Схема формирования основного и плакирующего слоёв в двухслойной заготовке при вертикальной ЭШН

Для реализации этого была проведена оценка оборудования крупнотоннажных листовых печей ЭШП-10 и ЭШП-10Г2 с точки зрения возможности выполнения технологии наплавки и сделаны следующие выводы:

- трансформаторы мощностью 2500 и 3200 квА, рассчитанные на получение слитка массой 10 т, с большим запасом мощности обеспечивают плавление расходуемого электрода массой 900-1300 кг;

-кристаллизаторы сечением 600 на 650, 500 на 1000 и 550 на 1350 мм способны вместить сляб основного слоя с возможностью его герметизации по боковым сторонам и создания полости, необходимой для получения плакирующего слоя, то есть переделки кристаллизаторов не потребовалось. В связи с малыми зазорами между стенкой кристаллизатора и расходемым электродом необходимо использовать прижимные ролики, фиксирующие положение электрода в полости кристаллизатора. Такие ролики входят в комплект кристаллизатора и при необходимости используются при обычном электрошлаковом переплаве;

-поддон, вытяжные системы, системы водяного охлаждения функционируют при наплавке без каких-либо изменений;

-электродержатель печи, расположенный на подвижной каретке, рассчитан на удерживание и обеспечение электрического контакта электрода для ЭШП сечением квадрат 370 мм и массой до 6 т. При ЭШН требуется электродержатель для полосы сечением (40-60) на (500-800) мм и массой до 1,3 т. То есть требуется переходная инверторная головка для удерживания и электрического контакта полосы такого размера;

- система автоматического управления обеспечивает широкий диапазон электрических режимов с фиксацией тока, напряжения, мощности на шлаковой ванне, сопротивления, сопротивления шлаковой ванны, числа импульсов, соответствующих скорости движения электрода при его плавлении. При выборе электрического режима наплавки можно подобрать программу автоматического управления процессом. Результаты оценки электрических параметров наплавки показали её пригодность для выполненият ехнологии вертикальной электрошлаковой наплавки.

3.1.5 Широкослойная ЭШН

В настоящее время одним из наиболее перспективных и широко используемых способов получения биметалла является широкослойная электрошлаковая наплавка (ЭШН), при которой подаваемые сверху в шлаковую ванну между наплавляемой поверхностью и кристаллизатором расходуемые электроды из коррозионно-стойкой стали под действием выделяющегося в шлаке тепла расплавляется и жидкий металл в зазоре под слоем шлака формирует наплавленный слой за один проход. При этом обеспечивается химическая однородность наплавленного слоя и высокое качество соединения слоёв. Одновременно происходит образование качественного соединения слоёв вследствие подплавления основного слоя и его перемешивания с наплавляемой сталью. Наплавленный слой отличается повышенной чистотой по примесям - сере, кислороду, неметаллическим включениям, поскольку осуществляется электрошлаковый переплав стали плакирующего слоя. Далее следуют обычные технологические переделы при производстве биметаллического проката - горячая прокатка, термическая обработка и отделка листов. Производительность такого способа оказалась в 5-8 раз выше, чем при многослойной ленточной наплавке [15].

3.2 Многослойная дуговая наплавка

Совершенствование метода наплавки углеродистых сталей высоколегированными, в том числе коррозионно-стойкими сталями, привело к использованию для плакирования металлов многослойной наплавки, которая широко применяется для непосредственного плакирования листов, а также кованных, штампованных деталей из углеродистой или низколегированных сталей. Этим методом целесообразно получать крупногабаритные биметаллические заготовки, предназначенные для последующей прокатки на двухслойные листы. При использовании метода многослойной наплавки соединение плакирующего слоя с основным происходит в жидком состоянии благодаря проплавлению основного слоя на определённую глубину и перемешиванию наплавляемого металла с расплавленным металлом основы. В результате обеспечивается высокая прочность сцепления слоёв. Особенностью способа является то, что формирование наплавленного слоя и образование соединения слоёв происходят, как правило, одновременно [17].

При многослойной наплавке изменяется химический состав, главным образом первых слоёв плакирующего металла, вследствие перемешивания, которое зависит от величины проплавления основного слоя. Для уменьшения этого эффекта применяют наплавку двумя проволочными электродами в защитном газе (рис. 3.5, а).

а) - проволочными электродами (1 - токопроводящий электрод; 2 - «холодная» проволока; 3 - источник тока; 4 - наплавленный металл; 5 - основной металл; 6 - ленточный электрод)

б) - ленточным электродом (толщина ленты 0,5 мм)

Рисунок 3.5 - Схемы наплавки плакирующего слоя

Расплавление так называемой холодной проволоки, подводимой к дуге между токопроводящим электродом и основным металлом, забирает часть энергии дуги. В результате, несмотря на значительно большую подводимую тепловую мощность, подплавление основного металла незначительно и составляет всего 10-15% толщины первого слоя наплавки. Дальнейшего ограничения подплавления основного металла не следует добиваться, так как может нарушиться сцепление слоёв [15, 17].

Изменение концентрации некоторых химических элементов в переходной зоне может быть скомпенсировано за счёт повышения легированности электрода: в случае использовании высоколегированного электрода для первого наплавляемого слоя получают необходимый состав, и дальнейшие слои наплавляют менее легированным электродом.

Развитием данного способа явилось использование для наплавки ленточного электрода (рис. 3.5, б) вместо проволочного, что позволило обеспечить требуемые состав и толщину слоя наложением меньшего количества швов.

Следует подчеркнуть, что все способы электродуговой наплавки сравнительно дороги и малопроизводительны. Для ленточных электродов необходима холоднокатаная лента из высоколегированных сталей, производство которой технологически часто бывает затруднительным.

3.3 Электрошлаковый обогрев (ЭШО)

Сущность способа состоит в том, что изготовление биметаллической заготовки включает электрошлаковый нагрев и подплавление заготовки основного слоя нерасходуемыми электродами, вводимыми в жидкий шлак, заливку и кристаллизацию металла плакирующего слоя в процессе электрошлакового обогрева (ЭШО) (рисунок 3.6). Для основного слоя применяют горячекатанные или непрерывнолитые плиты из углеродистых и низколегированных сталей. Выплавку коррозионно-стойкой стали для плакирующего слоя осуществляют в индукционных печах. Шлак расплавляют в шлакоплавильной дуговой электропечи. В качестве исходного материала используют сварочные флюсы АН-15 и АН-22.

Одновременно с выплавкой стали и шлака проводят подготовку установки ЭШО и кристаллизатора с плитой основного слоя под заливку шлака и жидкой стали. На тележку с поддоном установки электрошлакового обогрева укладывают горизонтально плиту вверх обогреваемой поверхностью, затем сверху надевают кристаллизатор. В электродержателях установки закрепляют над плитой нерасходуемые пластинчатые графитизированные электроды.

Зазоры между плитой и стенками кристаллизатора заполняются огнеупорным материалом (например, магнезитовым порошком), который плотно утрамбовывается. По всей поверхности плиты основного слоя засыпают гранулированный шлак толщиной слоя около 20 мм.

1 - заготовка металла основного слоя; 2 - изложница; 3 - шлаковая ванна; 4 - нерасходуемые электроды; 5 - ковш с коррозионно-стойкой сталью; 6 - слой жидкого металла; 7 - закристаллизовавшийся слой коррозионно-стойкой стали.

Рис. 3.6 - Схемы получения биметаллической заготовки с использованием электрошлакового обогрева

В подготовленный кристаллизатор заливают жидкий шлак, толщина слоя которого составляет 55-60 мм. В шлаковую ванну вводятся электроды. Электрошлаковый нагрев плиты основного слоя до её подплавления на глубину до 5 мм начинается примерно за 1 час до заливки жидкой стали. Для равномерного нагрева по площади осуществляется возвратно-поступательное перемещение тележки относительно электродов. Во время электрошлакового нагрева поверхность заготовки очищается от окалины и загрязнений, что исключает необходимость предварительной механической обработки и других видов её подготовки [15].

На подплавленную поверхность плиты основного слоя заливают коррозионно-стойкую сталь. Во время заливки электроды выводятся из шлаковой ванны. Затем после заливки металла электроды вновь вводят в шлаковую ванну и ведут в течение 2-х часов электрошлаковый обогрев. В этот период осуществляется наплавленная кристаллизация залитого металла. После затвердевания коррозионно-стойкого металла процесс ЭШО прекращают.

Разборка заготовки начинается после затвердевания шлака. Шлак удаляют с биметаллической заготовки после её остывания. Поверхность заготовки со стороны плакирующего слоя подвергают механической обработке (строжка, фрезирование или обдирка наждачным камнем). Качество поверхности наплавленного металла контролируют цветной дефектоскопией, соединения слоёв - ультразвуковым методом. Выявленные дефектные места подвергают ремонту.

Недостатком способа ЭШО, при котором наплавленный слой формируется на горизонтальной поверхности, является направленность осей литых кристаллов перпендикулярно поверхности наплавленного слоя. Выход границ кристаллов после механической обработки на поверхность может быть причиной образования дефектов плакирующего слоя в процессе прокатки.

Близкой по своей сущности к методу ЭШО является технология электрошлаковой наплавки жидким металлом - ЭШН ЖМ, используемая для наплавки валков (рисунок 3.7). Наплавка осуществляется в водоохлаждаемом медном токопроводящем кристаллизаторе специальной конструкции, в который помещают валок. В зазор между наплавляемой поверхностью и стенкой кристаллизатора заливают расплавленный в отдельной ёмкости шлак. Кристаллизатор является не только устройством, формирующим наплавленный слой, но и нерасходуемым электродом, поддерживающим электрошлаковый процесс. За счёт тепла, выделяемого в шлаковой ванне, происходит подплавление поверхности валка, затем в зазор между кристаллизатором и наплавляемым валком порционно по заданной программе или непрерывно подаётся жидкий металл требуемого химического состава. Металл вытесняет шлак вверх и, заняв его место, входит в контакт с оплавленной поверхностью валка, в результате чего формируется наплавленный слой. В процессе наплавки осуществляется постоянная вытяжка валка из кристаллизатора (или при неподвижной заготовке кристаллизатор перемещается вдоль неё) и заливка последующих порций (или непрерывная заливка).

Рис. 3.7 - Схема процесса электрошлаковой наплавки жидким металлом

По мнению авторов, к основным преимуществам технологии следует отнести возможность наплавки материалами самого различного химического состава. При ЭШН ЖМ могут быть использованы чугун, быстрорежущие, инструментальные и нержавеющие стали, жаропрочные никелевые сплавы и другие, в том числе материалы, которые не поддаются ни горячему, ни холодному деформированию и, следовательно, практически не применяются для традиционных наплавочных технологий, где требуются расходуемые электроды в виде проволоки, стержней, пластин.



3.4 Электрошлаковая сварка

Технологическая схема электрошлаковой сварки, разработанная Институтом электросварки им. Е.О. Патона, заключается в получении биметаллической заготовки путём сварки слитка углеродистой стали под слоем шлака с одной или двумя плитами коррозионно-стойкой стали (рисунок 3.8). Изменяя толщину слитка, плиты и величину зазора между ними, можно получать требуемое соотношение толщин основного и плакирующего слоёв в листе.

Сварку можно выполнять проволочными электродами, плавящимися мундштуком и пластинами. В условиях металлургического завода, имеющего собственный прокат коррозионно-стойких листов, целесообразно проводить сварку пластинчатыми электродами.

1- слиток основного металла; 2- плавящиеся электроды; 3- плиты плакирующего металла; 4- холодильник; 5- сварной шов.

Рисунок 3.8 - Схема получения биметалла с применением электрошлаковой сварки

Результаты исследований показали, что процесс диффузии углерода по границам раздела шов - углеродистый металл и шов - нержавеющий металл может вызвать образование мартенситной прослойки в граничном слое, по которо возможен отрыв плакирующего слоя.

Предложено два варианта электрошлаковой сварки двухслойных заготовок: с применением высоколегированных присадочных материалов (аустенитный) и малоуглеродистых металлов обычного качества (ферритный). Опробование аустенитного варианта в промышленных условиях дало положительные результаты. Более дешёвый ферритный вариант требует доработки.

Сваренные биметаллические заготовки после нагрева в колодцах прокатывают на блюминге и разрезают на слябы, которые затем прокатывают на листовом стане на требуемые размеры. Последующая обработка не отличается от технологии обработки листов, выполненных методом литейного плакирования или другими способами.

Биметаллические листы, полученные способом электрошлаковой сварки, отличаются наличием промежуточного слоя между плакирующим и основным металлами, что приводит к некоторым особенностям как технологического процесса, так и свойств готового листа:

- при нагреве заготовки под прокатку напряжения, вызванные сваркой, снимаются, но возникают дополнительные напряжения вседствие различных коэффициентов термического расширения прочно сваренных между собой разнородных материалов;

- при прокатке сваренные между собой слои сразу же попадают в зону совместной деформации (а не независимо друг от друга) и воспринимают усреднённую скорость деформации, в результате чего возникают значительные напряжения, которые могут привести к разрушению одного из металлов;

- при остывании двухслойных листов (особенно толстых) возникают значительно большие напряжения, чем в листах, изготовленных другими способами. Это также связано с наличием третьего слоя [15].



3.5 Сварка взрывом

Сварка взрывом основана на образовании прочного соединения двух и более различных металлов при их высокоскоростном соударении, когда в качестве энергоносителя применяется взрывчатое вещество (ВВ). Плакирование взрывом осуществляется в основном по схемам с параллельным или наклонным расположением метаемой пластины относительно неподвижной заготовки основного металла (рисунок 3.9) [18, 19]. На опоре (основании) размещают основной силой слой - неподвижную пластину, над которой с определённым зазором параллельно или под небольшим углом б располагают плакирующий слой (метаемую пластину) [15].

1 - пластина плакирующего металла; 2 - основной металл; 3 - основание; 4 - взрывчатое вещество; 5 - детонатор.

Рисунок 3.9 - Схема плакирования сваркой взрывом плоских поверхностей

На поверхность метаемой пластины непосредственно или через защитный слой укладывают заряд ВВ, инициируемый детонатором. Под действием продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость х, равную нескольким сотням метров в секунду, и соударяются с неподвижной пластиной под углом соударения:

в=2arcsin х/2D,

г=б+в=б+2arcsin х/2D,

где в - динамический угол изгиба метаемой пластины; D - скорость детонации ВВ. При этом точка контакта перемещается со скоростью:

= D[sin(г-б)/sinг]

При параллельной схеме сварки (б=0) г=в и = D.

В результате косого соударения пластин в зоне контакта при правильно выбранных параметрах процесса происходит пластическая деформация поверхностных слоёв и их местный адиабатический нагрев, приводящие под действием значительного давления к образованию соединения с типичной для сварки взрывом волнообразной зоной соединения [20, 21].

Хотя сварка взрывом характеризуется практически мгновенным протеканием процесса, образуется прочное соединение металлов. Качество соединения можно регулировать изменением основных параметров сварки взрывом, среди которых различают технологические, кинематические и физические [22, 23].

Существенным преимуществом способа сварки взрывом является возможность соединения практически любых материалов с различным соотношением толщины слоёв. При этом обеспечивается прочность соединения слоёв не ниже уровня прочности более слабого металла. Процесс отличается высокой производительностью. Его можно применять как при непосредственном плакировании листов и различных деталей машин, так и при получении многослойных заготовок для последующей прокатки на лист. К недостаткам относится удалённость полигонов, где проводятся взрывные работы, от промышленных зон и мест производства исходных компонентов, а также дороговизна эксплуатации полигонов [8, 22].

3.6 Диффузионная сварка

Диффузионная сварка осуществляется в твердом состоянии металла при повышенных температурах с приложением сдавливающего усилия к месту сварки. Процесс сварки металла в твердом состоянии при повышенных температурах принципиально протекает так же, как и при холодной сварке. В начальной стадии процесса на линии раздела двух деталей создаются условия для образования металлических связей. Из теории образования сварного соединения при холодной сварке известно, что для возникновения на линии раздела металлических связей необходимо обеспечить тесный контакт свариваемых поверхностей и создать условия для удаления поверхностных пленок окислов, жидкостей, газов и различного рода загрязнений [24, 25].

Использование повышенных температур при диффузионной сварке приводит к уменьшению сопротивления металла пластическим деформациям. Вследствие этого имеющиеся в зоне действительного контакта выступы на металле деформируются при значительно меньших нагрузках, что облегчает сближение атомов металла на всей площади свариваемой поверхности [26].



1 - вакуумная охлаждаемая камера; 2 - свариваемое изделие; 3 - нагреватель; 4 - сильфон(вакуумное уплотнение); 5 - шток; 6 - механизм нагружения.

Рисунок 3.10 - Схема процесса диффузионной сварки в вакууме

биметалл наплавка сварка

Удаление поверхностных пленок и предупреждение возможности образования их в процессе сварки достигается использованием вакуумной защиты и тщательной предварительной зачисткой свариваемых поверхностей. Таким образом, первая стадия процесса диффузионной сварки, так же как и холодной сварки, основана на образовании металлических связей на свариваемых поверх- ностях металлов при нагревании их в вакууме с применением сдавливающего усилия. На второй стадии процесса диффузионной сварки происходят процессы взаимной диффузии атомов свариваемых металлов. Эти процессы приводят к образованию промежуточных слоев, увеличивающих прочность сварного соединения. Однако в некоторых случаях образование промежуточных слоев нежелательно [27].