Технология производства биметаллов

В вакуумной охлаждаемой камере 1 размещают свариваемое изделие 2 и нагреватель 3. Для сдавливания деталей в процессе сварки используют механизм сжатия, состоящий из штока 5 и механизма нагружения 6, шток проходит через вакуумное уплотнение или сильфон 4. Сварка происходит в вакууме -- мм рт. ст.

После откачки из камеры воздуха изделие нагревают обычно т. в. ч. до температуры сварки. Для получения качественного соединения необходимо обеспечить равномерный нагрев свариваемого изделия по всему сечению. Усилие сжатия прикладывают после выравнивания температуры и поддерживают постоянным в течение всего процесса. Известны также технологические приемы с меняющимся давлением в процессе сварки. Продолжительность выдержки под нагрузкой зависит от свойств свариваемого металла, величины давления и других факторов и может достигать десятков минут. Давление также зависит от свойств металла, температуры сварки и других факторов и изменяется от 0,3 до 10 кгс/мм² (2,9--98 МН/м²). Обычно при охлаждении деталей сжимающее усилие снимают при достижении температуры 100 - 400 °C (373--673 К). Преждевременное снятие сжимающего усилия, при охлаждении деталей в некоторых случаях приводит к разрушению сварного соединения [27].



4. Способы получения биметаллов литьем

4.1 Литейное плакирование

Особенность данного способа состоит в том, что исходную заготовку получают путём заливки стали одного состава в изложницу, в которой установлены одна или две плиты из стали другого состава (рисунок 4.1). Число и расположение плит в изложнице определяет дальнейшую технологию и число слоёв в готовом прокате [28].

При изготовлении коррозионно-стойкой двухслойной заготовки в изложницу, в которой установлена плита из нержавеющей стали (рисунок 4.1, а), заливают углеродистую или низколегированную сталь. Широкую грань плиты, обращённую к оси изложницы, подготавливают так, чтобы при последующей прокатке происходило схватывание со сталью основного слоя.

а) - двухслойный лист; б) - трёхслойный лист; в) два двухслойных листа

Рисунок 4.1 - Схема установки плит коррозионно-стойкой стали в изложницы для получения

Для получения трёхслойных листов две нержавеющие пластины устанавливают у противоположных стенок изложницы, в центральную часть которой заливают металл основного слоя (рисунок 4.1, б).

Одним из вариантов схемы литейного плакирования является получение из одного слитка одновременно двух биметаллических листов. В этом случае в центр изложницы устанавливают две плиты нержавеющей стали (рисунок 4.1, в), разделённые огнеупорной или какой-либо другой изолирующей прослойкой. После прокатки и обрезки кромок раскат разделяют на два двухслойных листа [29].

На практике этот способ выполняется следующим образом: после строжки к плитам приваривают специальную арматуру для установки и закрепления их в изложнице. Подготовку плит начинают за несколько часов до заливки на специально оборудованной утеплённой площадке. Тыльную (нестроганную) сторону плит обезжиривают и наносят на неё разделительную обмазку, предохраняющую от сваривания с углеродистой сталью («подливкой»). Обычно в качестве разделительной обмазки используют смесь магнезитового порошка с цапон-лаком. Поверхность, предназначенную для соединения с заливаемым металлом, тщательно протирают, обезжиривают, промывают 50%-ным раствором соляной кислоты и покрывают ровным слоем хлористого аммония толщиной 2-2,5 мм. При заливке жидкой стали в изложницу хлористый аммоний разлагается и образующиеся газы предохраняют контактную поверхность от окисления [30].

Во время заливки не происходит плотного соединения слоёв из-за относительно низкой температуры плиты коррозионно-стойкой стали. Приварка слоёв происходит лишь во время прокатки биметаллического слитка на блюминге или слябинге. В нагревательные колодцы слитки передают при 750-900 град. Цельсия и нагревают по режимам, принятым для прокатки стали плакирующего слоя.

Прокатку двухслойных листов на слябы проводят с обжатием 20-30 мм за проход, кантовка и прокатка с ребровыми проходами нежелательны. При разрезке раската на слябы на ножницах блюминга (слябинга) удаляют головную и хвостовую части слитка. Двухслойные слябы на листы прокатывают на толстолистовых станах. После прокатки двухслойные листы подвергают термической обработке. После термической обработки проводят правку раскатов, разметку, порезку, отпор проб, травление, отделку, и маркировку.

Операция травления включает обработку двухслойных листов в щелочном расплаве для разрыхления окалины коррозионно-стойкой стали, промывку в холодной воде, травление в кислотном растворе, промывку и сушку с последующим отбеливанием в растворе азотной кислоты с селитрой.

В настоящее время данный способ вытеснен другими, обеспечивающими более качественное соединение слоёв, однако его принципы всё ещё используются в некоторых современных способах плакирования.

4.2 Непрерывное литье

Непрерывное литье плоских или круглых биметаллических заготовок, предназначенных для их последующей пластической деформации, -- одно из перспективных направлений в производстве многослойных металлов. Этот способ позволяет значительно повысить производительность труда, снизить себестоимость изделий! исключить из технологического потока экологически вредные операции травления й абразивной зачистки металла, механизировать и автоматизировать производственный процесс. Заливка двух или более жидких Металлов в изложницу обеспечивает более прочное соединение слоев, чем заливка жидким металлом твердой составляющей. При этом исключаются операции по подготовке поверхностей и установке твердой составляющей в изложницу [30].

Для последовательной отливки двух металлов в изложницу устанавливают перегородку, которую удаляют после частичного затвердевания первого из заливаемых металлов (рисунок 4.2, а). Когда требуется отлить заготовку небольшого сечения, применяют разъемные изложницы с вкладышем, размеры которого соответствуют размерам слоя, образуемого от заливки второго металла. После заливки первого металла вкладыш извлекают из изложницы, а образовавшееся пространство заливают металлом второй составляющей.

а)

б) в) г)

Рисунок 4.2 - Способ последовательной отливки металлов

а) - способ последовательной отливки металлов с применением выдвижной перегородки;

б) - способ последовательной отливки металлов с применением схемы расположения кристаллизаторов при отливке трехслойной заготовки.

в) - способ последовательной отливки металлов с применением схемы расположения кристаллизаторов при отливке двухслойной заготовки.

г) - способ последовательной отливки металлов с применением схемы расположения кристаллизаторов при отливке двухслойной цилиндрической заготовки.

1 - форма; 2 - залитый металл; 3 - разливочная воронка; 4 - перегородка; 5 - желоб; 6 - заливаемый металл; 7,8 - кристаллизатор; 9,10 - металл (составляющие биметалла).

Одновременную отливку двух металлов производят в изложницу с тонкой перегородкой, которая не допускает смешивания двух металлов. Существуют две разновидности непрерывной отливки слоистых заготовок: отливка из двух или более жидких металлов и отливка из твердого и жидкого металлов.

Способ получения биметаллических заготовок путем одновременной заливки двух жидких металлов в два кристаллизатора. В устройстве (рисунок 4.2, б) кристаллизаторы 7 и 8 расположены концентрично, но смещены по высоте относительно друг друга. Основной металл заливают в кристаллизатор 7 и после его затвердевания вытягивают вниз в кристаллизатор 8, при этом в последний начинают заливать металл плакирующего слоя, который взаимодействует с твердой, но еще горячей поверхностью заготовки 9 и прочно с ней сваривается.

При отливке двухслойной заготовки в случае несимметричного расположения кристаллизаторов 7 и 8 (рисунок 4.2, в) вначале отливают заготовку 9, а затем в кристаллизатор 8 заливают плакирующий металл. При получении биметаллической цилиндрической заготовки (рисунок 4.2, г) плакирующий металл заливают в кристаллизатор 7, где формируется полая заготовка 9, а затем полость этой заготовки, служащей в качестве кристаллизатора, заполняют основным металлом. Этим способом можно отливать двух- и трехслойные сплошные и полые биметаллические заготовки различного поперечного сечения. Аналогичным способом отливают многослойные биметаллические заготовки.



4.3 Центробежное литье

При разработке технологии центробежного литья биметаллических заготовок основные технологические параметры определяются методами расчёта и уточняются путём эксперимента, что гарантирует качество биметаллических отливок. Преимущества центробежного литья биметаллических труб и цилиндрических заготовок следующие: универсальность технологии, т. е. возможность отливать изделия с наружной или внутренней рабочей поверхностью; отпадает необходимость в сложной и трудоемкой подготовке к сварке поверхностей разнородных металлов; высокая производительность труда, обусловливаемая рабочим циклом центробежной машины при отливке биметаллических труб и заготовок; возможность полной механизации и автоматизации)технологического процесса; получение качественных биметаллических отливок с требуемыми эксплуатационными свойствами рабочей поверхности; большой выход годного металла, составляющий 85--90 %; не требуется высококвалифицированная рабочая сила при производстве биметаллических изделий, что обусловлено простотой обслуживания центробежной машины [30].



I - 1-ый этап (заливка основного металла);

II - 2-ой этап (заливка плакирующего металла).

1 - флюс, 2 - основной металл, 3 - кокиль, 4 - плакирующий металл; а - толщина первого слоя, L - ширина воны между границами выливаемости и питания.

Рисунок 4.3 - Схема получения двухслойной отливки центробежным способом

При правильном выборе технологических параметров центробежного литья под флюсом качество свариваемости разнородных металлов находится в прямой зависимости от времени выдержки между заливкой металла первого и второго слоев, скорости и температуры заливки разнородных металлов биметаллической отливки. При отклонении этого промежутка времени от оптимального значения может произойти взаимное перемешивание металлов или их расслоение [31].

Интервал времени от окончания заливки первого металла до начала заливки второго, обеспечивающий надежную их свариваемость и требуемую геометрическую точность заготовки в зоне свариваемости, определяется из следующей гипотезы. Свариваемость в зоне контакта может обуславливаться как капиллярными, так и диффузионными явлениями. В первом случае ширина переходной зоны составляет несколько миллиметров, а во втором -- несколько микрон. Так как свариваемые металлы затвердевают в определенном интервале температур (рисунок 4.3), то минимальное время выдержки первого металла до заливки второго определяется выходом его на внутреннюю поверхность границы выливаемости, т. е. второй металл должен заливаться тогда, когда первый уже потерял технологическую жидкотекучесть. Если второй металл залить раньше, то часть металла первого слоя будет перемешана со вторым металлом, вследствие чего, кроме изменения заданных размеров первого и второго слоев биметаллической заготовки, нарушится химический состав заливаемых сплавов. При минимальной выдержке размыва не произойдет, однако второй металл, подпитывая еще не полностью затвердевший слой первого металла, может распространиться на определенную глубину. Максимально возможное время выдержки первого слоя до заливки второго, при котором еще происходит сваривание валиваемых сплавов, зависит от способа получения биметалла, а также от химического состава свариваемых металлов, и в соответствии с опытными данными должен быть на 50 - 150°C ниже температуры солидус первого металла. Таким образом, оптимальное время заливки второго металла должно быть больше минимально возможного и меньше максимально возможного. Поэтому для определения этого интервала для конкретной биметаллической отливки необходимо гнать кинетику ее затвердевания и изменение температуры внутренней поверхности основного слоя, что является весьма сложной экспериментальной задачей. Одним из эффективных методов, дающих удовлетворительную точность и требующих сравнительно малых затрат времени, является электротепловая аналогия, реализованная на R-сеточном интеграторе [32].



5. Получение биметаллов ОМД

5.1 Прокатка

5.1.1 Прокатка биметаллических заготовок в горячем состоянии

Совместная прокатка в горячем состоянии составного пакета или заготовки.

Одним из основных промышленных способов получения широкого класса биметаллов является совместная горячая прокатка, в частности, так называемая пакетная прокатка, используемая для получения коррозионно-стойких биметаллических листов. При этом способе составной пакет из двух или более слоёв различных металлов в виде пластин или профилей подвергается горячей деформации на требуемый профиль. Конструкция биметаллического пакета определяется рядом факторов: количеством слоёв в многослойном прокате, химическим составом слоёв, техническими возможностями оборудования для горячей пластической деформации, требуемым сортаментом готовых профилей проката и так далее [20, 33].

Несмотря на большое разнообразие технологических процессов получения плакированных металлов способом совместной пластической деформации, принципиальная схема способа сводится к следующим операциям:

- подготовка заготовок (слитки, слябы, фасонные профили) из металла основного слоя;

- подготовка пластин, листов и профилей из металла плакирующего слоя;

- сборка и сварка пакетов;

- нагрев и деформация пакетов;

- термическая обработка и отделка готовой биметаллической продукции.

В процессе прокатки между контактными поверхностями металлов происходит схватывание - образование металлических связей. Для успешного протекания этого процесса необходимо, чтобы на контактных поверхностях слоёв, подлежащие соединению, специально подготавливают. Обычно слябы и плиты из металла основного слоя подвергают строжке и фрезерованию. Иногда применяют абразивную зачистку или дробеструйную обработку поверхности [29].

Подготовка контактной поверхности пластин плакирующего металла определяется тем, какой металл используется в качестве плакирующего слоя. Для коррозионно-стойкого плакирующего слоя в большинстве случаев используют хромоникелевые и хромистые стали. Оксиды хрома ухудшают схватывание и препятствуют прочному сцеплению слоёв. Защиту контактной поверхности нержавеющей стали от окисления осуществляют по-разному. В некоторых случаях на контактную поверхность плакирующих пластин электролитическим способом или методом газовой или электролитической металлизации наносят слой никеля или наплавляют тонкий слой малоуглеродистой стали. Иногда для защиты поверхности плакирующих листов от окисления их покрывают ровным слоем флюса или хлористым аммонием [34].

Промежуточный слой между основным и плакирующим металлами используют не только для защиты от окисления контактных поверхностей, но и как средство против взаимной диффузии элементов из одного слоя в другой, когда она нежелательна. В этих случаях применяют прокладки из фольги или электролитические покрытия из самых различных металлов и сплавов: никеля, меди, ниобия, кобальта, сплавов ниобия и кобальта с высоким содержанием фосфора, железо-кремнистых сплавов. Известно также применение в качестве промежуточного слоя смеси порошков чистого железа и никеля с добавкой флюса. При нагреве и сжатии смесь спекается и образует прослойку легированной стали.

Для получения коррозионно-стойких плакированных металлов наибольшее распространение получили симметричные четырехслойные пакеты (рисунок 5.1). Верхний и нижний слябы основного металла 1 соединяются через планки углеродистой стали 4, уложенные по периметру пластин плакирующего металла 2. Сварные швы 5 обеспечивают прочность и герметичность пакета. Между планками и пластинами имеются зазоры, компенсирующие разницу в расширении металла плакирующего и основного слоёв.

1 - основные слои; 2 - плакирующие слои; 3 - разделительный слой; 4 - соединительная планка; 5 - сварной шов.

Рисунок 5.1 - Конструкция четырёхслойного биметаллического пакета

В процессе горячей прокатки возникает прочное сцепление слоёв по контактным поверхностям слябов и пластин, чаще всего через промежуточные соединительные подслои, а также образуется однородный кант из углеродистой стали по периметру пакета за счёт сваривания соединительных планок с верхним и нижним слябами. Между пластинами плакирующего металла не происходит схватывания благодаря разделительному слою 3.

Разделительный слой наносят толщиной 1 мм на стороны пластин плакирующего металла, противоположные контактной поверхности. Обычно разделительную пасту составляют на основе магнезита, оксида хрома, оксида алюминия, диоксида марганца, смеси нитролака или целлюлозных лаков и оксида магния. Как правило, состав разделительного слоя подбирается экспериментальным путём и является предметом патентования.

Состав разделительного слоя, его толщина и равномерность имеют большое значение, так как эти параметры определяют качество поверхности плакирующего слоя. Особенно важны огнеупорные качества разделительного слоя. При температурах нагрева под горячую прокатку слой не должен плавиться или размягчаться, так как это приводит к его вытеканию или выдавливанию при деформации пакета. Следует отметить, что операции нанесения разделительного слоя довольно трудно механизировать, несмотря на их простоту.

Для получения двухслойных листов, плакированных легко окисляющимися металлами: титаном, цирконием, применяют вакуумирование пакетов или продувку инертным газом. Откачка газов из пакета осуществляется либо в процессе нагрева, либо перед нагревом пакетов. Кроме того, для предотвращения контактных поверхностей от окисления в течение всего периода нагрева в пакете осуществляется циркуляция аргона.

Радикальным решением проблемы улучшения соединения легкоокисляющихся металлов является прокатка биметаллов в вакууме. Подготовленный пакет из соединяемых металлов помещают в печь вакуумного прокатного стана. В печи пакет нагревают до температуры прокатки, выдерживают в течение некоторого времени и прокатывают в валках с обжатием, обеспечивающим полную диффузионную сварку.

Широкое распространение симметричного четырёхслойного пакета и аналогичных ему конструкций пакетов с большим количеством слоёв объясняются рядом преимуществ. Симметричное расположение слоёв с различным сопротивлением деформации относительно горизонтальной плоскости прокатки в принципе исключает изгиб раската в прокатных валках. Поверхность плакирующего слоя находится внутри и защищена от воздействия печных газов, прокатных валков. Так как плакирующий слой не имеет окалины, двухслойные листы, полученные из таких пакетов, большей частью не нуждаются в травлении. Симметричный пакет обладает более высокой прочностью, поскольку равномерная деформация верхней и нижней половин пакета снижает (хотя и не исключает полностью) напряжения в зоне сварных швов.

Недостаток симметричного пакета заключается в ограничении верхнего предела толщины двухслойных листов. Поскольку раскат, полученный из симметричного четырёхслойного пакета, состоит из двух листов, толщина каждого из них равна половине толщины раската. Следовательно, при ограничении толщины и массы исходной заготовки (пакета) возможностями прокатного оборудования толщина и габариты двухслойных листов будут вдвое меньше, чем одинарных листов, прокатываемых в этих же условиях. Другое ограничение вызвано тем, что для получения достаточно прочного сцепления слоёв при прокатке пакета требуется 5-7кратное высотное обжатие. Исходная толщина четырёхслойного пакета для получения листов толщиной свыше 100 мм составляет более 1000 мм, что превосходит возможности большинства существующих листовых станов и неприемлемо по другим соображениям (большая неравномерность деформации, трудности равномерного нагрева). Эти обстоятельства послужили причиной создания специальных конструкций пакетов для прокатки особо толстых листов.

Одна из таких конструкций представляет собой двухслойный несимметричный пакет с крышкой, состоящий из толстого сляба углеродистой стали, на который размещается плита нержавеющей стали с нанесёнными на её поверхность защитным и разделительным подслоями. На плиту коррозионно-стойкой стали укладывается крышка на углеродистой стали, которая приваривается к слябу через соединительный планки (рисунок 5.2). После прокатки такого пакета, которую, как правило, осуществляют крышкой вниз, крышка удаляется. Однако раскаты из несимметричного пакета в процессе прокатки изгибаются, а листы, полученные из таких пакетов, подвержены короблению.

Для получения толстых двухслойных листов из симметричного четырёхслойного пакета предложен способ двойного (комбинированного) плакирования. Сначала прокатывают обычный по конструкции симметричный четырёхслойный пакет, состоящий из двух слябов нержавеющей стали, между которыми размещены два листа из углеродистой стали. После обрезки кромок получают два листа нержавеющей стали, каждый из которых плакирован с одной стороны тонким слоем углеродистой стали. Эти листы помещают в новый пакет таким образом, чтобы к поверхности сляба была обращена поверхность нержавеющей пластины, плакированная углеродистой сталью. Для прочного сцепления поверхностей двух одинаковых металлов (углеродистой) требуется относительно небольшое суммарное обжатие. За счёт снижения обжатия при одной и той же толщине пакета можно получать более толстые двухслойные листы [29].

1 - крышка; 2 - соединительные планки; 3 - сварной шов; 4 - разделительный шов; 5 - плакирующий слой; 6 - промежуточный подслой; 7 - основной слой

Рисунок 5.2 - Конструкция несимметричного пакета

Для получения толстых двухслойных листов из симметричного четырёхслойного пакета предложен способ двойного (комбинированного) плакирования. Сначала прокатывают обычный по конструкции симметричный четырёхслойный пакет, состоящий из двух слябов нержавеющей стали, между которыми размещены два листа из углеродистой стали. После обрезки кромок получают два листа нержавеющей стали, каждый из которых плакирован с одной стороны тонким слоем углеродистой стали. Эти листы помещают в новый пакет таким образом, чтобы к поверхности сляба была обращена поверхность нержавеющей пластины, плакированная углеродистой сталью. Для прочного сцепления поверхностей двух одинаковых металлов (углеродистой) требуется относительно небольшое суммарное обжатие. За счёт снижения обжатия при одной и той же толщине пакета можно получать более толстые двухслойные листы [29].

Пакеты обычно нагревают в колодцах, камерных или методических печах и прокатывают на толстолистовых станах. Режимы нагрева и деформации зависят от материала плакирующего слоя биметаллических листов. После прокатки листы подвергают термической обработке и последующей обделке.

Осадка пакетов в горячем состоянии

Горячая осадка пакетов применяется для получения биметаллических листов или полос небольших размеров. При большом размере заготовки для обеспечения необходимой для прочного соединения слоев деформации потребуется пресс очень большой мощности.

1 - боек пресса; 2 - рабочее пространство печи; 3 -биметаллические пакеты; 4 - рольганг.

Рисунок 5.3 - Схема установки для поточной осадки биметаллических пакетов в печи

Пакет, собранный из пластин различных сталей, сплавов или металлов, подлежащих соединению, нагревают до температур горячей обработки давлением и осаживают под бойками мощного гидравлического пресса (рисунок 5.3). В процессе осадки в результате воздействия больших удельных давлений, высокой температуры и вследствие особой подготовки поверхностей соприкосновения происходит прочное соединение слоев биметалла. Полученную поковку прокатывают в горячем состоянии для получения листов или полос требуемых размеров. Однако этот метод не получил широкого промышленного применения вследствие того, что для его осуществления в промышленных масштабах требуются мощные ковочные прессы. Кроме того, вследствие значительной неравномерности деформации слоев при осадке (из-за влияния подпирающих сил трения) получается неравномерное соотношение слоев [34].

5.1.2. Прокатка заготовок в холодном состоянии

Совместная прокатка профилей, полос или лент в холодном состоянии.

Применяется для получения биметаллов или трехслойных металлов, один из компонентов которого имеет незначительное сопротивление деформации по сравнению с другими. Последнее условие обеспечивает возможность получения значительной пластической деформации одного из компонентов за один проход через валки, и в результате происходит достаточно прочное соединение слоев биметалла. Непременным условием прочного соединения двух слоев в биметалле при холодной прокатке, так же, как и при горячей, является чистота поверхности соединяемых металлов, причем особенно важно отсутствие даже небольших количеств жира. Таким способом можно соединить алюминий, алюминиевые сплавы или никель со сталью. Метод совместной холодной прокатки получил широкое применение в промышленности ряда стран, в том числе и СССР. Этим методом, в частности, получают биметаллическую сталеалюминиевую ленту толщиной 0,1--0,2 мм по схеме, приведенной на рисунке 5.4. Метод совместной холодной прокатки применяется и для получения антифрикционного полосового биметалла, состоящего из железной основы и плакирующего слоя из алюминиевого сплава ACM. Этот биметалл выпускается в виде полос толщиной от 2 до 6 мм и применяется для изготовления вкладышей подшипников двигателей внутреннего сгорания [20].

1 - металл сердечника; 2 - металл плакирующего слоя; 3 - готовая лента с двухсторонней плакировкой

Рисунок 5.4 - Схема получения трехслойного биметалла совместной холодной прокаткой

Исходный несимметричный пакет состоит из сутунки железа Армко толщиной 7--14 мм и листа сплава ACM толщиной 4,0-- 5,0 мм. Железные сутунки перед прокаткой подвергают отжигу, травлению и зачистке металлическими щетками; листы из сплава ACM также зачищают щетками. Сложный пакет, состоящий из одной железной сутунки и одного листа сплава ACM, прокатывают на стане дуо в холодном состоянии с обжатием порядка 45--50% за один проход. Метод совместной холодной прокатки применим также для получения биметаллических труб. Для этого подготавливают соответствующих размеров две трубы из различных сталей или сплавов, вставляют одна в другую и производят холодную прокатку двух- или многослойной заготовки. Метод совместной холодной прокатки применяют для получения фасонного биметаллического сталеалюминиевого профиля, используемого для подвесных контактных троллейбусных проводов. При этом процессе фасонный алюминиевый профиль и фасонный стальной профиль поступают в прокатные валки, где происходит сжатие алюминиевого профиля вокруг ласточкина хвоста стального профиля, и, таким образом, получается фасонный биметаллический профиль. Этот метод успешно применяют на одном из отечественных метизных заводов [29].

Совместная прокатка с нанесением слоя металлического порошка в холодном состоянии.

Совместная прокатка с нанесенным на нее слоем металлического порошка позволяет получить некоторые виды биметалла, которые иным способом получить не представляется возможным из-за особых свойств соединяемых металлов или сплавов (рисунок 5.5).

1 - стальная лента; 2 - алюминиевый порошок; 3 - валок; 4 - слой из алюминиевого порошка; 5 - стальной слой.

Рисунок 5.5 - Схема получения биметалла прокаткой порошка на ленте

В США освоено производство биметаллической проволоки, состоящей из стального стержня и алюминиевой оболочки методом совместной пластической деформации порошка алюминия и стального сердечника. Разработка промышленной технологии производства такой проволоки была связана с большими трудностями, так как температура плавления алюминия значительно ниже температуры, необходимой для соединения биметалла, и химическое соединение алюминия и железа на границе раздела слоев FeAl₃ в отличие от соединений меди и железа очень хрупкое. Разработанный метод заключается в покрытии стальной проволоки распыленным порошком алюминия и в последующей горячей деформации для улучшения связи между металлами и повышения плотности алюминиевого покрытия. Полученная этим методом биметаллическая проволока легко подвергается холодной деформации. Содержание алюминия в биметалле по площади сечения составляет около 25% [29].

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

Большим преимуществом этого метода получения биметаллов является возможность соединения между собой металлов с сильно отличающейся температурой плавления и плотностью, например свинца и меди, свинца и железа, свинца и алюминия, меди и никеля, меди и железа, никеля и железа и других сочетаний металлов, а также металлов с неметаллами. При этом в зависимости от требований можно получить биметаллы со слоями различной плотности. Получение многослойного листового металла методом совместной прокатки различных порошков в ряде случаев, по-видимому, будет целесообразным и эффективным. Прокаткой порошков получают многослойную ленту с весьма прочным соединением слоев, достигаемым за счет процессов взаимной диффузии в граничном слое. Допуски на толщину слоев могут быть жестче, чем при других способах получения многослойных лент. При прокатке двух- или трехслойной ленты из порошков в отличие от прокатки однослойной ленты применяется прокатка лишь в вертикальном направлении, что диктуется необходимостью соблюдения заданного соотношения слоев. Принципиальная схема прокатки двухслойной и трехслойной ленты из порошков приведена на рисунке 5.5.

В бункере 1 для подачи порошков в зев прокатных валков устанавливают перегородку 2 шириной, равной ширине прокатываемой ленты. Перегородка доходит до зоны деформации и разделяет порошки разных металлов до момента начала их спрессовывания. Прокатанную в валках 3 из порошка двухслойную ленту, как правило, спекают в восстановительной или нейтральной атмосфере либо в вакууме. Спекание необходимо для повышения механических свойств весьма непрочного сырого проката из порошка.

а) б)

1 - двухслойная лента; 2 - трехслойная лента; 3 - валок.

Рисунок 5.5 - Схема прокатки биметаллической двухслойной (а) и трехслойной (б) ленты из порошков

Для дальнейшего улучшения свойств двухслойного или трехслойного проката его подвергают холодной уплотняющей прокатке с промежуточными повторными спеканиями и заключительным отжигом. Такой процесс может осуществляться непрерывно в специальной установке с чередующимися печами и прокатными клетями. После двух-трех уплотняющих прокаток и спеканий можно получить ленту, пригодную для холодной штамповки. Соотношение толщин слоев в двухслойной и трехслойной ленте зависит от свойств применяемых порошков. Предложены формулы, по которым, зная свойства порошка, можно рассчитать требуемые расположения перегородок в бункере для получения лент с заданным соотношением слоев [29].

5.1.4. Сварка прокаткой

Одним из распространённых способов получения биметаллов является сварка давлением при прокатке герметизированных заготовок - пакетов. Этим способом можно получать листовой и фасонный многослойный материал со сплошным и местным плакированием (рисунок 5.6).

а - конструкция заготовок пакетов для прокатки листового металла.

б - конструкция заготовок пакетов для прокатки фасонных профилей с местным плакированием.

1 - основной слой из углеродистой стали; 2 - плакирующий слой из легирующей стали; 3 - промежуточный разделительный слой; 4 - планки из углеродистой стали; 5 - сварной шов; 6 - уголок из углеродистой стали.

Рисунок 5.6 - Конструкция заготовок-пакетов

Сварка прокаткой характеризуется следующими параметрами: давлением (степенью деформации), температурой, временем, средой (составом газовой фазы). При прокатке герметизированных пакетов можно выделить следующие основные технологические этапы, определяющие качество сварного соединения: - нагрев пакетов под прокаткой до 1200 - 1300 °C; - прокатка, во время которой образуется сварное соединение; - термическая обработка после прокатки.

Сварка прокаткой требует тщательной подготовки свариваемых поверхностей, так как поверхностные загрязнения и окисные плёнки оказывают большое влияние на прочность сварного соединения. Во избежание окисления этих поверхностей, при нагреве, пакеты герметизируют дуговой сваркой. Необходимо обеспечить высокую прочность сварных швов, разрушение которых в процессе прокатки приводит к браку. Подготовка свариваемых поверхностей несколько упрощается за счёт вакуумирования и самопроизвольной очистки поверхностей от оксидов при нагреве герметичных пакетов под прокатку [8].

В первые 15 - 20 минут после помещения пакета в нагретую печь давление в зоне контакта листов резко повышается до (2 - 2,5) Па, затем оно начинает постепенно падать и через 2 - 2,5 часа устанавливается разряжение. При максимальной температуре нагрева 1170 °C удаётся достичь вакуума (0,4 - 0,6) Па. Вакуум в герметизированном пространстве возникает вследствие растворения азота и кислорода воздуха в поверхностных слоях стали. Очистка свариваемых поверхностей происходит в результате термической диссоциации окислов и нитридов, при этом кислород и азот растворяются в металле в атомарном виде, а атомы металла достраивают кристаллическую решётку поверхностного слоя. Не исключено взаимодействие окислов с углеродом, содержащимися в стали, что подтверждается наличием в газовой фазе окиси и двуокиси углерода и появлением обезуглероженной прослойки в поверхностных слоях стали.

При достигаемой степени разряжения, в результате самопроизвольного вакуумирования, парциальное давление кислорода составляет (4 - 8) Па. Вследствие этого не удаётся получить поверхности с высокой степенью очистки от окисных плёнок. Чтобы разрушить остающиеся плёнки и получить надёжное сварное соединение, нужны значительные пластические деформации, необходимо обжатие при прокатке пакета до 60%.

Решающее значение для сварки прокаткой имеет второй этап. На этой стадии за счёт значительных пластических деформаций достигается физический контакт по всей плоскости соприкосновения соединяемых деталей. В тех местах, где имеется физический контакт, возникает связь между атомами металлов и образуется сварное соединение при испытание на срез.

При изготовлении деталей из плакированного проката в качестве обязательной технологической операции применяется закалка, обеспечивающая необходимые эксплуатационные свойства (износостойкость, прочность, самозатачивание). Вследствие значительной разницы в объёмных измениях материалов основного и плакирующего слоёв деформация деталей из биметалла может быть большой, что является причиной искажения проектной формы изделий. Выбирая стали основного и плакирующего слоёв с близкими коэффициентами термического расширения или изменяя соотношение толщин слоёв, можно избежать значительных деформаций биметалла.

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

В настоящее время используются три различных способа для получения для получения биметаллов.

Первый способ самый простой, он заключается в горячем выдавливании через очко матрицы составной заготовки, имеющей круглое или трубное сечение с концентрическим расположением слоёв. Заготовка может быть изготовлена из различных комбинаций сталей, металлов или сплавов. Для осуществления этого процесса можно использовать различные горизонтальные или вертикальные прессы для прессования применяемые для прессования прутков, профилей или труб из цветных металлов и сталей. На рисунке 5.7 приведена принципиальная схема процесса прессования биметаллического прутка и биметаллической трубы. Этим методом, в частности, на экспериментальном прессе ЦНИИЧМ были получены образцы биметаллических профилей.

Прессованием в горячем состоянии получены фасонные биметаллические профили для режущего инструмента и для других назначений. Прессование проводилось по прямому методу на вертикальном гидравлическом прессе усилием 7820 кН (800 т) из контейнера диаметром 80 мм. Заготовки до температуры 1200 °С нагревали в камерной электропечи с водородной атмосферой. Контейнер пресса перед прессованием подогревали до 400 °С, а матрицы до 250--300 °С. Перед каждым прессованием стенки контейнера смазывали смесью графита с машинным маслом, на матрицу устанавливали диск из прессованного стекла, а нагретая заготовка перед помещением в контейнер смазывалась путем накатки по слою крупного стекла.

Для осуществления такого процесса, предложенного и запатентованного в Англии, необходимо наличие двухконтейнерного пресса специальной конструкции.

а) - труба.

б) - пруток.

1 - пресс-штемпель; 2 - внутренняя втулка контейнера;

3 - пресс-шайба; 4 - контейнер; 5 - игла; 6 - прессуемая труба {пруток); 7 - матрица; 8 - матрицедержатель; 9 - обойма матрицедержателя; 10 - запорный клин.

Рис. 5.7 - Схема прессования биметаллических заготовок

Второй способ совместного горячего прессования для получения биметаллических профилей заключается в одновременном выдавливании двух различных металлов или сплавов из двух контейнеров через одну общую матрицу, где и происходит их соединение в процессе значительной пластической деформации (рисунок 5.8). Таким способом можно получить биметаллические фасонные профили, у которых элементы профиля изготовлены из различных материалов.

1 - колонны пресса; 2, 3 - горизонтальные цилиндры; 4 - матрица (с отверстиями 4а, 4б, 4в), 5,6 - контейнеры; 7,8 - отверстия контейнеров; 9, 10 - поршни цилиндров; 11, 12 - пресс-штемпели; 13 - подвижная поперечина; 14 - уравновешивающие гидроцилиндры.

Рис. 5.8 - Схема прессования биметаллического профиля из двух контейнеров

Этот метод не получил широкого промышленного применения из-за необходимости строительства специального сложного по конструкции пресса и из-за того, что не выявлена широкая область эффективного применения получаемых этим способом биметаллических профилей. С увеличением спроса на биметалл специального применения этот процесс может найти промышленное применение для получения биметаллических профилей из цветных металлов и сталей. Третий способ совместного горячего прессования для получения биметаллических профилей, главным образом круглых, заключается в подаче в очко матрицы сердечника и одновременном выдавливании из двух контейнеров другого материала в матрицу. В результате получается профиль со сплошной рубашкой, которая формируется в процессе прессования. На рисунке 5.9 приведена принципиальная схема процесса нанесения наружного слоя из алюминия на твердый сердечник - стальную проволоку. Этот процесс осуществляется при температурах 450--500 °С, т. е. при температурах горячей пластической деформации алюминия.

1 - стальная проволока; 2 - алюминий; 3 - матрица; 4 - обойма матрицы; 5 - дорн; 6 - пресс-штемпель.

Рисунок 5.9 - Схема прессования биметаллической проволоки с нанесением на недеформируемую проволоку плакирующего слоя

5.3 Изготовление биметаллов волочением заготовки

5.3.1 Совместное волочение в горячем и холодном состоянии

Совместное холодное волочение является методом получения биметаллической проволоки сталь + алюминий или сталь + другие цветные металлы. На стальную проволоку (сердечник) со специально подготовленной поверхностью надевают рубашку в виде трубки, которая может быть бесшовной или в виде сформованной в трубку ленты. Если материал рубашки является высокопластичным, то при совместной пластической деформации в волочильном очке происходит достаточно прочное соединение двух металлов.

Полученная таким образом биметаллическая проволока может быть использована в качестве проводника электрического тока или как коррозионностойкая проволока для различных целей. Наружная оболочка проволоки может изготовляться также из металлической ленты формовкой ее в специальных роликах и непрерывной высокочастотной сваркой ее в трубу одновременно с введением в нее сердечника из другого металла или сплава, как это предложено В. Н. Богдановым и Н. П. Глухановым [29]. Процесс совместной деформации при волочении был применен для получения биметаллических труб, состоящих из стального наружного слоя (не более 0,2% С) и медного внутреннего слоя (99,9% Си), взамен однородных медных труб. Внутреннюю поверхность стальной трубы тщательно очищали металлическими щетками от загрязнений, а конец трубы заделывали для волочения. Внутрь стальной трубы вставляли медную трубу, наружный диаметр которой несколько меньше внутреннего диаметра стальной трубы, наружную поверхность медной трубы также тщательно очищали. Собранную двухслойную трубу подвергали волочению через фильеры до требуемого диаметра.

1 - проволока.

2 - волока.

> - направление волочения.

Рисунок 5.10 - Общая схема волочения проволоки

В процессе совместной пластической деформации наружная стальная труба, уменьшаясь в диаметре, плотно охватывает внутреннюю медную трубу и происходит прочное сцепление слоев. Такой процесс может быть применен для получения биметаллических и многослойных труб и из других металлов и сплавов.

Если необходимо получить более прочное соединение слоев, то на наружную поверхность внутренней трубы наносят вдавливанием на станке (типа токарного) ряд кольцевых или спиральную канавки. Выдавленные при этом по обеим сторонам канавок гребни затем отгибают в одну сторонку так, что поверхность в сечении принимает пилообразный профиль. После этого на внутреннюю трубу надевают наружную (обычно из более мягкого металла, например алюминиевую на стальную) и производят совместное волочение. При редуцировании металл наружной трубы заполняет канавки, чем обеспечивает прочное соединение слоев и хорошую теплопроводность биметаллической трубы. Этот способ применим для получения коррозионностойких теплообменных труб, причем число слоев может быть более двух.

В Японии предложен процесс получения биметаллической алюминиево-медной проволоки методом горячего волочения [29]. В медную трубу, внутренняя поверхность которой покрыта цинком или оловом, вставляют алюминиевый пруток, диаметр которого соответствует внутреннему диаметру трубы. Поверхности соприкосновения прутка и трубы предварительно очищают. Концы трубы замазывают материалом, предотвращающим проникновение наружного воздуха, например огнеупорной глиной. Затем составную заготовку нагревают до 550--600 °С и производят волочение до получения биметаллической проволоки нужного размера, например до диаметра 5 мм. В частности, было опробовано волочение трубы с наружным диаметром 60 мм, длиной 500 мм, толщиной стенки 2 мм, с прутком диаметром 55,7 мм и температурой нагрева 570 °С. В результате свободного теплового расширения внутренний диаметр трубы при нагревании должен уменьшаться до 56,1 мм, диаметр прутка должен увеличиваться до 56,61 мм. В условиях производства по предлагаемому способу возникающее при нагреве.давление между поверхностями соединяемых металлов достигает 646 МН/м², что и обеспечивает прочное соединение в процессе горячего волочения.

5.3.2 Технология волочения биметаллической медной проволоки с использованием серебряного сердечника

Волочение металлической проволоки отличается от процесса волочения монометаллической рядом специфических особенностей. На результаты деформирования слоистой проволоки оказывают большое влияние неоднородность материала по сечению, величина внешнего трения и межслойного сцепления, относительное объемное содержание компонент в проволоке, их модули упрочнения и соотношение прочностных свойств. При волочении биметаллической проволоки может разрушиться оболочка, а сердечник сохранится целым или наоборот; чаще оболочка и сердечник разрушаются одновременно. Разрушение монослоёв биметаллической проволоки вызывается возникающими в них напряжениями, величия которых зависит от перечисленных параметров. Целью данной работы является разработка технологии изготовления биметаллической проволоки с сердечником из серебра с улучшенными физико-механическими свойствами для производства внутриматочных спиралей [35].

Используемая нами технология предусматривает предварительное изготовление серебряной проволоки диаметром, необходимым для обеспечения заданного соотношения между диаметром композиционной проволоки и диаметром сердечника из драгоценного металла. Для изготовления проволоки применяли серебро в виде гранул высокой степени чистоты 99,999 %. Отливка расплава серебра производится в стальные или чугунные изложницы. Далее слиток серебра прокатывали и подвергали волочению до получения проволоки необходимого диаметра, обычно 0.3 мм.

Эффективность использования ультразвуковых колебаний при волочении трудно деформируемых металлов и сплавов убедительно показана в работах. Как известно, использование ультразвуковых колебаний (УЗК) в процессе обработки металлов давлением ведёт к снижению статического напряжения и тем самым позволяет снизить усилия деформирования и увеличить единичные обжатия за проход, упрощает технологическую цепочку, сократив количество переходов. Источником ультразвуковых колебаний служил магнитострикционный преобразователь ПМС15А-18, питаемый от генератора УЗГ2-4М. Волоку с помощью резьбового соединения крепили в пучности смещений волновода продольных колебаний. Схема волочения проволоки представлена на рисунке 5.11. Амплитуда смещений на торце волновода составляла 10 мкм.

1 - магнитострикционный преобразователь; 2 - концентратор; 3 - волновод; 4 - волока; 5 - отражатели; 6 - протянутая проволока; 7 - элементы биметаллической проволоки; > - направление волочения.

Рисунок 5.11 - Схема волочения биметаллической проволоки с ультразвуком

Сборка заготовки осуществлялась на диаметре медной трубки 3,0 мм. Использовалась трубка чистой не ниже 99,97 % Сu. Далее провидится промывка внутреннего отверстия медной трубки азотной кислотой с целью очистки ее от окислов и загрязнений, для удаления остатков кислоты операция завершается промывкой водой и последующей сушкой. После заправки серебряной проволоки в медную трубку с сопутствующей очисткой заправляемой проволоки производится ее фиксация на острильной машине заправленной проволоки с одного конца медной трубки. Затем производится волочение трубки с закрепленной проволокой на стане крупномерного волочения до получения композиционной проволоки.

Конечный диаметр биметаллической проволоки составлял 0,35 ± 0,01 мм, пластические свойства которой должны обеспечивать без разрушения перегиб на стержень O 2 мм на суммарный угол 720 град. Волочение биметаллической проволоки проводили с суммарными обжатиями более 80 %, при единичных обжатиях 18--15 %. При больших единичных обжатиях приводит чрезмерное упрочнение оболочки и появление обрывов. Для биметаллической проволоки с серебряным сердечником наиболее характерным видом брака является его обрыв внутри медной трубки. После волочения с суммарными обжатиями более 80 % проводили термическую обработку проволоки при 600 °C на проход через муфельную печь, а также с использованием электроконтактного нагрева [35].



Заключение

В данной работе были рассмотрены и приведены: классификация способов изготовления биметаллов; анализ способов изготовления биметаллов; а также физические основы получения биметаллических изделий, которые разделяются на процессы, протекающие с формированием твёрдой и жидкой фаз в зоне соединения. Приведены основные гипотезы, объясняющие соединение слоёв биметаллического изделия, а также процессы их характеризующие. Основным критерием, объясняющим прочное сцепление слоёв является достижение высокой пластической деформации при нагреве в зоне контакта, которая сопровождается возникновением и движением дислокаций, приводящих к образованию металлических связей, что вызывает диффузию атомов разнородных металлов, протеканию которой способствуют высокое давление и выделяемая теплота. Доказано, что способность металлов к схватыванию зависит от их пластичности и сопротивления деформации. Отсюда следует, что наиболее распространенным и приемлемым промышленным способом изготовления биметаллов является горячая прокатка и горячее прессование. Так называемая пакетная прокатка используемая для получения коррозионно-стойких биметаллических листов. Именно при прокатке достигается высокое течение металла в зоне контакта соединения, так как она является наиболее подходящим сочетанием действия высокой пластической деформации вместе с высокой температурой. Это объясняет и то, что прокатка нередко является заключительно операцией получения готового биметалла (например после ЭШН или литейного плакирования лист обязательно нужно прокатить), вследствие чего плакирующий слой становится тоньше в 2-3 раза, а его металлическая связь с основным металлом возрастает.

Размещено на Allbest.ru