§34 Основные типы слоистых металлических композиционных материалов.

Слоистый металл – это материал, состоящий из двух или более разнородных металлов, обладающий новыми качествами отличными от качеств материалов в отдельности. Большую часть слоистых металлических композиционных материалов представляют биметаллы, состоящие из слоев двух металлов. Применение этих композитов сокращает расход на их изготовление в результате экономии дорогостоящих металлов. Слоистые металлы способствуют разработке более совершенных конструкций машин, аппаратов и так далее.

Как правило, слоистый композит представляет собой чередование основного более дешевого металла со слоями дорогостоящего материала, выполняющего специальные эксплуатационные функции.

Все производимые в настоящее время слоистые металлы по назначению можно подразделить на коррозионностойкие, антифрикционные, электротехнические (проводниковые и контактные), инструментальные, износостойкие, термометаллы и композиции для бытовых изделий.

В сортамент изделий из слоистых металлов входят ленты, листы, трубы и различные фасонные профили.

Коррозионностойкие слоистые металлы изготавливают в виде нескольких слоев, что позволяет сочетать в одном материале различные служебные свойства. Обычно в качестве основного металла, то есть защищаемого, берутся, стали 08КП, сталь 3 и некоторые другие.

В качестве коррозионностойкого покрывающего или блокирующего слоя обычно служат различные нержавеющие стали, титановые сплавы, медь латунь, алюминий и некоторые другие металлы и сплавы. Эти композиции широко применяются в теплообменной аппаратуре, в авиационной, в судостроительной, в химической, в пищевой и в других промышленностях.

Износостойкие композиционные материалы в качестве блокирующего (наружного) слоя предполагают применение сталей и сплавов с высокой стойкостью против абразивного износа, а в качестве основного слоя обычно используют низкоуглеродистую сталь.

Блокирующий слой изготавливается из высокоуглеродистых сталей, из различных легированных износостойких инструментальных и карбидных сталей. В качестве основы обычно применяют сталь 15.

Применение поверхностного твердого слоя из стали в сочетании с более мягкой стальной основой позволяет увеличить срок службы изделий из этих материалов и придать им новое свойство – самозатачивание. Это свойство проявляется вследствие того, что мягкий слой изнашивается быстрее твердого наружного слоя, который по мере износа всегда остается выступающим в виде острой кромки. Эти материалы используются для изготовления культиваторных дисков и лап, в молотильных аппаратах комбайнов и так далее.

Электротехнические слоистые металлы обычно применяются как проводники и как детали контактных устройств. В этих композициях в качестве блокирующего наружного слоя различные хорошо проводящие электричество металлы.

В качестве основы применяются металлы выполняющие несущую функцию: сталь, титан, слоистые металлы. В качестве этих материалов широкую перспективу имеет проволка с наружным медным слоем и стальной сердцевиной. Этот вид слоистых металлов используется для воздушных контактных линий: трамвайной и троллейбусной тяг, для тросов контактного провода, железных дорог.

Применение биметаллов в качестве электротехнических материалов позволяет резко снизить тепловыделения на контактах при сохранении механической прочности последних.

Антифрикционные слоистые металлы используются для производства подшипников скольжения. Основным слоем для этих материалов является низкоуглеродистая сталь. Блокирующий слой выполняется из антифрикционных сплавов алюминия, бронз, баббитов, латуней, металлофторопластовых материалов.

Термобиметаллы – слоистые металлы, используемые для изготовления чувствительных элементов тепловых приборов.

Основная характеристика этих материалов – термочувствительность, то есть способность изменять свою форму при нагреве. Это свойство возникает в случае, если различные слои композиции имеют большую разность коэффициентов линейного расширения, при этом физико-механические свойства составляющих слоев должны обеспечить прочное соединение последних и возможность дальнейшей обработки, то есть штамповки, резки, сварки и та5к далее. Обычно термобиметаллы изготавливаются в виде полос и лент толщиной 0,1-2,5 мм с равной толщиной слоев. Слой, обладающий большим коэффициентом линейного расширения, является активным, а меньшим – пассивный.

Для пассивного слоя применяются различные инварные сплавы с повышенным содержанием никеля, а для активного – сплавы, содержащие магний, медь, хром и никель.

Слоистые металлы для бытовых соединений обладают обширной сферой применения: посуда, бытовые электроприборы, значки, украшения, детали внутренней отделки автомобилей.

Обычно в качестве основного слоя используют недорогие металлы. В качестве блокирующих слоев используют самые различные металлы и сплавы.

Многослойные слоистые композиты:

Трехслойный металл медь-сталь-никель используется как химический источник тока. Этот композит обладает высокой прочностью и электропроводностью при повышенных температурах.

Слоистые металлы широко используются в радиоэлектронной аппаратуре: теплоизмерителях, экранов, электровакуумных приборов, например, композиции на основе меди с полосчатыми покрытиями из серебра и его сплавов. Используют двух-, трех-, четырех- и пятислойные композиции из железа, алюминия, никеля, меди, титана.

Получение слоистых металлических композиций прокаткой и осадкой.

Метод получения слоистых металлов прокаткой состоит в совместной деформации листов, полос или лент соединяемых металлов, собранных в пакет, при этом после прокатки получают слоистые фасонные профили, полосы, ленты, трубы, прутки и проволку. Деформация проводится в холодном или горячем состоянии.

Цикл обработки состоит в подготовке составляющих пакета, сборки пакета, резки, нагрева и прокатки пакета (для холодной деформации нагрев не требуется), резки, термообработки, отдел контроля качества. Очистка производится механической обработкой (дробеструйная, фрезерование, зачистка металла щетками, абразивная зачистка), травлением, промывкой, обезжириванием.

Для соединения плохо соединяемых металлов применяются промежуточные слои из металлов хорошо соединяемых с обоими слоями основных металлов.

Прокатку проводят для пакетов содержащих о двух до семи слоев. Для сборки пакета используют электросварку, пайку, обертывание пакета блокирующим листом. При холодной деформации такая сборка необязательна, так как предотвращения окисления при холодной деформации не используется.

В качестве схем прокатки используется рулонная прокатка для слоистых металлов небольшой толщины. Этот способ сравнительно со способом поштучной пакетной прокатки обладает большей производительностью и позволяет автоматизацию процесса. Методом холодной прокатки производят слоистые композиционные материалы из сталей, алюминия, титана, никеля, а также из их сплавов.

Для получения прутков используют прокатку со вставкой заготовленных калибров. Полученная круглая заготовка подается на последующее волочение. Так производят слоистую проволку для электротехнической, и химической отраслей промышленности.

Биметаллические трубы можно получать поперечно-винтовой прокаткой со вставкой заготовок сплошного сечения.

С помощью процесса прокатки изготавливают изделия с местной блокировкой, то есть с отдельными вставками другого металла на частично покрываемой металлической основе. Так изготавливают слоистые металлы с полосчатым покрытием. Также изготавливают слоистые металлы с двух- и трехслойными пакетами и пакетами, предназначенными для использования в испарителях, теплообменниках.

Слоистые металлы небольших размеров получают осадкой. В этом случае пакет, собранный из соединенных компонентов нагревают, помещают между бойками пресса и осаживают. Далее полученную заготовку прокатывают до нужного размера. Последующая прокатка применяется не всегда, но в этих случаях пакет выдерживается некоторое время между бойками для образования прочного соединения. Осадка менее распределяется, так как вызывает значительную неравномерность деформации слоев металла.

Получение слоистых металлических композиционных материалов прессованием и волочением.

При производстве круглых и фасонных композиционных профилей широко используются методы горячего прессования.

Интенсивная деформация обеспечивает прочное соединение составляющих слоев композита. Реже используется холодное прессование, в основном для изготовления биметаллических труб из алюминиевых сплавов.

Существует две основные схемы прессования слоистых металлов.

Помимо приведенных схем применяются их комбинации.

Прессующее давление создается либо механическим, либо гидравлическим приводом.

Для получения профилей большой длины вместо прессования используется волочение. Волочением получают проволку и трубы из слоистых металлов в горячем или холодном состоянии.

Для изготовления слоистой проволки обычно используют биметаллические композиции в системах сталь-алюминий, сталь-медь, алюминий-медь.

Слоистые трубы изготавливают с помощью протяжки, предварительно собранных слоистых заготовок через кольцевую матрицу на цилиндрической оправке.

Получение слоистых металлических композиционных материалов сваркой взрывом.

Использование энергии взрыва в металлообработке известно с конца прошлого века. В настоящее время сварку взрывом используют для изготовления многослойных листов, полос, цилиндрических изделий, композиций волокнистых материалов, а также для получения слоистых заготовок различных форм, предназначенных для дальнейшей переработке.

Сваркой взрывом получают высокопрочные соединения металлов, которые невозможно соединить традиционными способами.

Этим способом соединяется сталь с серебром, сталь со свинцом, медь с молибденом, различные титановые соединения. Прочность соединяемых слоев превосходит прочность менее прочного слоя композита.

Используются две основные схемы сварки взрывом.

1 – заряд взрывчатых веществ;

2 – детонатор;

3- соединяемые слои металла;

4 – установочные элементы.

На опоре располагают нижнюю неподвижную основную пластину, над которой с определенным зазором располагают метаемые пластины. На верхнюю метаемую пластину укладывают заряд взрывчатых веществ и устанавливают детонатор.

При инициировании взрывчатых веществ по заряду распространяется детонационная волна. Под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва участки питаемых пластин последовательно приобретают скорость порядка нескольких сотен метров в секунду. Они поворачиваются относительно своего первоначального положения и соударяются с нижней неподвижной пластиной. В результате этого между слоями образуется соединение.

При сварке взрывом можно получать различные толщины блокирующих слоев. Иногда основные схемы видоизменяются, например, при вертикальном расположении соединяемых слоев. Этим способом получают листы медь-сталь, латунь-сталь, сталь-титан, сталь-нержавеющая сталь.

При получении сложных не плоских изделий используются слои фольги, которая укладывается один на другой, причем на те места, где соединение должно отсутствовать наносят специальные слои.

Получение слоистых металлических композиционных материалов литьем.

С помощью литья получают заготовки для дальнейшей горячей обработки давлением. Наиболее простой способ заключается в заливке жидких металлов. Пластины или стержни устанавливаются в изложницах. Он обычно используется для изготовления заготовок, предназначенных для дальнейшего получения из них толстолистовых коррозионностойких композиций.

Используются способы заливки жидкого металла в форму из блокирующего или покрываемого металла. Если температура плавления блокирующего металла намного ниже, чем металлоосновы, то используется расплавление блокирующего металла непосредственно на блокируемой основе. Используется также одновременная заливка двух- и более жидких металлов в одну изложницу.

Наиболее прогрессирующим способом является непрерывная отливка заготовок – постоянная подача в кристаллизатор двух- и более потоков жидких металлов. На выходе из кристаллизатора получают непосредственную слоистую композицию, вытягиваемую специальными устройствами.

Получение слоистых металлических композиционных материалов наплавкой, пайкой, нанесением порошковых покрытий, ультразвуковой сваркой, сваркой трением, диффузионной сваркой.

Метод наплавки применяется для непосредственного блокирования определенных деталей, а также для изготовления слоистых заготовок, предназначенных для дальнейшей их обработки.

Этим методом блокируются широкие классы деталей и преимущественно со сложной поверхностью, где другие способы затруднены.

Технология наплавки состоит в подаче ленточного электрода к покрывающему слою.

Используется открытая дуга или электрошлаковая наплавка. Этим способом, например, изготавливают роторы, с биметаллическими, элементами мощных турбогенераторов.

Метод пайки применяется при получении многослойных композиций из металлов, с резко различающими свойствами. В этом методе между соединяющимися слоями размещают слой припоя. Собранный пакет нагревают до расплавления припоя. В результате при использовании специальных припоев и флюсов получают надежное соединение металлов без их деформации. Этот метод позволяет соединять медь с вольфрамом, создать шестикомпонентный сплав медь-железо-кремний-марганенц-никель-цинк. Также метод позволяет получать биметаллы, из которых изготавливают режущие инструменты.

Метод получения композиционных материалов нанесением порошковых покрытий предназначен для изготовления изделий из металлов с различной разницей температур плавления, из трудно деформируемых металлов. Способ позволяет создать особое свойство с широким диапазонам регулируемых свойств. Существует ряд способов нанесения порошковых покрытий на металл: напыление, прокатка, прессование, волочение и другие способы обработки материалов давления.

Способ получения биметаллов с порошковыми покрытиями состоит из следующих основных операций: подготовка поверхности основы, нанесение слоя порошка одним из способов, термическая или термохимическая обработка.