Основные способы производства биметаллов

Получение биметаллического материала, обладающего наперёд заданными механическими характеристиками, возможно только при условии создания прочного сцепления между отдельными слоями, приводящего к получению монолитной слоистой композиции.

Двух- и многослойные металлические материалы могут быть изготовлены любым способом соединения разнородных металлов, обеспечивающих надёжную связь слоев, которая должна сохраниться в условиях службы композиции, а также при различных технологических операциях /обработке резанием, давлением, сварке и т.п./.

Благодаря большому числу работ советских и зарубежных учёных создана теория совместной пластической деформации разных металлов, разработан ряд новых биметаллических и многослойных композиций, а также предложены новые прогрессивные технологические процессы их изготовления.

Среди различных типов биметаллических материалов значительный удельный вес занимают 2-х слойные стали, основой которых являются углеродистая или низколегированная стали, а в качестве плакирующего слоя - разнообразные коррозийностойкие стали (XI2H10T, HI7HI3M3T, ОХ23Н28МЗДЗЕТ и др.).

В больших масштабах 2-х слойные стали изготавливаются и применяются в Англии, США, Франции и Японии. В СССР ежегодный прирост производства 2-х слойной листовой стали составлял 50¸100 %.

Существует много способов изготовления биметаллов. Наибольшее распространение в настоящее время получили: способ литого плакирования и пакетный способ.

В первом случае технологический процесс производства биметалла заключается в получении 2-х слойных слитков и последующей их прокатке до требуемой толщины плакированного листа.

Как правило, прочное сцепление слоев в слитке не происходит; оно возникает при последующей горячей прокатке. Поверхность изготовления по этому способу биметаллического листа обладает невысоким качеством из-за взаимодействия плакирующего слоя с атмосферой при прокатке.

Второй способ более совершенный. В этом случае заготовкой служит пакет, состоящий из 2-х листов материала плакирующего слоя, между которыми расположена обмазка из инертного тугоплавкого материала, помещённых между плитами, выполненными из материала основы. Герметизация пакета по всему периметру осуществляется обычно с помощью электродуговой сварки. После этого пакет подвергается нагреву и прокатке, в процессе которой при высокой температуре и большом удельном давлении происходит прочное сцепление и соединение соприкасающихся друг с другом пар поверхностей основы и плакирующего слоя.

Качество сцепления слоев может быть улучшено применением вакуумированных пакетов, либо прокаткой в вакууме, либо в среде нейтральных газов.

Начинает приобретать промышленные масштабы при производстве биметаллов сварка взрывом, метод, основанный на импульсном механическом взаимодействии слоев сопрягаемых металлов (опыт СССР, ОПТА, Японии и др. стран).

Получение биметаллов сваркой взрывом, методом наиболее прогрессивным, имеет ряд преимуществ:

- возможность получения соединений практически любых металлов и сплавов при обеспечении гарантийной высокой прочности связи слоев в композиции;

- кратковременность процесса (несколько микросекунд);

- самоочистка свариваемых поверхностей от загрязнений и окисленных плёнок кумулятивной струёй, возникающей в месте контакта соударяемых металлов;

- простота процесса, не требующего применения специального оборудования.

Схема сварки взрывом приведена на рисунке 18.2.

Рис.18.2. Схема сварки взрывом: а - исходное положение, б - схема деформации: 1 – обойма; 2- взрывчатое вещество; 3 – детонатор; 4 – метаемая пластина; 5 – основная пластина

При подрыве заряда ВВ детонатором, размещённом в начальной части обоймы, верхняя пластина разгоняется под воздействием образующего при взрыве давления Р и ударяется о нижнюю неподвижную плиту. В случае достаточно высокой скорости соударения и большого давления происходит перевод взаимодействия поверхностных слоев в квазижидкое состояние и вытеснение окисных плёнок из зоны сильной сжимаемости.

Зона контакта по мере сгорания ВВ движется последовательно слева направо.

Вследствие интенсивной пластической деформации в разделе слоев приводит к специфическим микроструктурным изменениям и значительному упрочнению материала в зоне контакта.

Прочность получаемых соединений зависит от исходных расстояний между соединяемыми поверхностями. Например, при изготовлении по методу непосредственного взрывного плакирования биметалла Ст.3 + XI8HIOT, с увеличением зазора между неподвижной (Ст.3) и метаемой (Х18НЮТ) пластинами с 0,5 до 2,0 мм прочность сцепления возрастает с 120 до 470 МПа, при дальнейшем увеличении зазора до 13 мм она остаётся постоянной, а начиная с 13 мм - уменьшается, достигая значения 270 МПа при величине зазора около 25 мм.

При придании композиции определённых прочностных свойств оказывается весьма важным, какие слои (твёрдые или мягкие) будут расположены снаружи или внутри комбинированного материала.

Из литературных источников известно, что усталостная прочность плоских автомобильных рессор из 3-х слойной стали толщиной 8 мм, состоящей из полосы Сталь 30 с 2-х сторон плакированной сталью У7, имеющей толщину 2 мм и твёрдость HRC 50-60 ед., может быть повышена на 30 % по сравнению с рессорами из однородной пружинной стали, а также предел выносливости композиции при наружном расположении твёрдых слоев (XI7H2 + сталь 10 + XI7H2) возрастает до 347 МПа против 180 и 170 МПа у стали XI7H2 и Стали 10 соответственно.

Путём создания композиционного материала с мягкими наружными слоями можно существенно увеличить сопротивление хрупкому разрушению. При наличии снаружи мягких плакирующих слоев можно повысить пластичность и ударную вязкость высокопрочных сталей, уменьшить чувствительность этих материалов к надрезам и перекосам. Однако при этом у мягких наружных слоев значительно снижается предел усталости и уменьшается сопротивление материалов износу.

Таким образом, биметаллы в отличие от однослойного металла обладают целым комплексом ценных механических и химико-физических свойств, которыми не обладают материалы, состоящие из одного вида стали.

На ряде металлургических заводов освоено производство 2-х слойных листов из стали I0X2MI + 08XI8HI0T толщиной 32 мм для установок гидрокрекинга и гидродесульфурации большой единичной мощности; I0XHIM+08XI8HI0T толщиной 40 мм и массой до 5 т для атомных электростанций; 20К + 03XI7HI4M3 для оборудования, работающего в агрессивных средах различных кислот.

Срок службы оборудования из биметаллов возрастает примерно в 10-12 раз.

Организовано производство биметаллических листов сталь + титан толщиной 20-100 мм для оборудования, работающего в большинстве кислот и хлорсодержащих средах.

Внедрена технология производства коррозионностойкого 3-х слойного биметалла 08XI8HI0T + сталь + 08XI8HI0T толщиной 2-4 мм для сельскохозяйственных машин, используемых для внесения в почву минеральных удобрений.

Значительным резервом повышения эффективности использования металла в машиностроении является применение в конструкциях машин литых биметаллических изделий.

Для массового производства биметаллических отливок и заготовок являются технологии, основанные на применении диффузионного соединения заливаемых сплавов с материалом твёрдой заготовки, предварительно нагретой под слоем синтетических покрытий с низкой кислородопроницаемостью.

Отливки из биметаллов - важный резерв экономии дефицитных легирующих элементов, снижения объёмов производства металлоёмких запасных деталей в машиностроении.

В машиностроении отливки из биметалла применяют в основном вместо дорогостоящей бронзы, что резко снижает расход бронзы на единицу продукции, уменьшает стоимость изделий. Биметаллические втулки и заготовки, имеющие форму тела вращения, целесообразно получать центробежным способом литья тремя методами:

- свободной заливкой расплава (внутренний слой заготовки) в полость вращающейся твёрдой втулки (основы из другого сплава);

- расплавлением твёрдой шихты внутри закрытой с торца полости вращающейся втулки - основы для образования внутреннего слоя заготовки;

- последовательной заливкой двух сплавов, образующих наружный и внутренний слои заготовки.

При литье биметаллической втулки первым из указанных методов в качестве материала для основы втулки применяют сталь (до 0,3 % С), а для внутреннего слоя оловянистую бронзу. Более углеродистые стали и легированные не обеспечивают хорошего сцепления с бронзой. Предварительно до заливки формы металлом её тщательно очищают от окалины, масла и других загрязнений.

При втором способе втулку изготавливают из стандартной трубы с последующей завальцовкой или приваркой донышек. Бронзу внутри втулки-заготовки можно плавить вне машины для центробежного литья.

При получении биметаллических втулок третьим методом необходимо иметь два плавильных агрегата для расплавления стали и бронзы. Температура изложницы перед заливкой должна быть 150 – 200 °С, окружная скорость изложницы 8 м/с. Скорость подачи жидкой стали во вращающуюся изложницу 1 кг/с и бронзы 0,5 кг/с. Сначала заливают сталь, затем даётся выдержка 15-20 с (во время движения изложницы), после чего заливают бронзу – получается биметаллическая втулка.

Внедрение в производство биметаллических отливок позволяет увеличить в 1,5-4,5 раза ресурс изделий, сократить до 75-80 % потребность в высоколегированных сталях и сплавах, снизить в 2-2,5 раза расход металла.

Таким образом, наряду с традиционными металлами и сплавами более широкое использование нового класса материалов позволяет создавать более долговечные машины, сокращая при этом использование дорогостоящих материалов, снижая стоимость машины в целом.

Дата добавления: 2015-07-07