книги из ГПНТБ / Биметаллические трубы

чивается за счет температуры и давления прессования. Поэтому зазор должен быть минимальным и практически устраняться при нагреве за счет положительной разности коэффициентов линейного расширения; при этом мо*жет создаваться натяг и происходить схва­ тывание контактных поверхностей металлов.

Величина зазора зависит от раздельного диаметра двухслойной заготовки, физических свойств свариваемых металлов и способа из­ готовления биметаллических труб (рис. 7). Для предохранения кон-

тактных поверхностей от окисления и загрязнения зона контакта слоев герметизируется.

Плотное соприкосновение поверхностей, осуществляемое раз­ личными способами, позволяет достигнуть одновременно две цели: получения исходного натяга и герметизации зоны контакта. Натяг играет положительную роль в ряде способов производства биметал­ лических труб горячей деформацией и особенно важен при изготов­ лении их термодиффузионной сваркой.

Сборка двухслойных заготовок с небольшим зазором между тру­ бами допускается иногда при производстве биметаллических труб способами горячей деформации.

Обязательна сборка труб с заданным зазором при изготовлении биметаллических труб в случае применения энергии взрыва. При этом обязательна герметизация зоны контакта двухслойных заготовок. Осуществляют ее отбортовкой одного или обоих концов внутренних труб, заваркой одного или обоих торцов по линии контакта труб плотным пластичным слоем, путем установки уплотнительных коль­ цевых шайб. Последние применяют при сборке заготовки под сварку взрывом.

Обязательна также заварка торцов двухслойной заготовки, если коэффициент линейного расширения металла внутренней трубы а в меньше коэффициента линейного расширения металла ан наружной

Контактные поверхности попарно собранных труб приводятся в соприкосновение в холодном состоянии волочением или раздачей, прокаткой на станах ХПТ, гидроили пневмодавлением, взрывом. Исключение представляет способ сочленения исходных труб для сварки — пайки. В этом случае плотного соприкосновения слоев

достигают в результате введения в нагретую наружную трубу холод­ ной внутренней трубы (с нанесенным на нее легкоплавким подслоем) и последующего совместного их нагрева.

Способ и степень деформации выбираются с учетом свойств ме­ таллов. При правильном выборе способа и направления приложения усилия между трубами возникает натяг, а следовательно, и началь­ ные контактные давления Р 0.

Чаще всего применяют раздачу, проталкивание и волочение, которые могут осуществляться на прессах и волочильных станах. Раздача используется при получении коротких и толстостенных двух­ слойных заготовок (рис. 8), проталкивание и волочение — чаще всего в случае двухслойных заготовок с относительно тонкостенной наруж-

52

йой трубой. При изготовлении двухслойных заготовок для тбрмОдиффузионной сварки применяют обычное волочение сочлененных труб или раздачу, либо сочетание обеих операций.

Рассмотрим создание начального натяга в двухслойных заготов­ ках.

При совместной холодной деформации сочлененных труб, после снятия приложенных к ним сил, за счет упругой деформации про­ исходит уменьшение (при раздаче), либо увеличение (при волочении и проталкивании) диаметра. Если упругая деформация металла ДR x (АROCH), на котором происходит деформирование, превышает упругую деформацию металла AR 2 (ARnj]), со стороны которого оно произво­ дится, то между трубами возникает натяг Д/?(Л) (рис. 9)

AR = АR x — A R 2.

В противном случае между трубами образуется зазор. Для дости­ жения благоприятного сочетания свойств сочленяемых металлов иногда применяют предварительную деформацию одного из них.

R о и R x — соответственно наружный радиус наружной и внутрен­ ний радиус внутренней трубы двухслойной заготовки,

53

Контактные давления, возникшие при холодном сочленении, в зна­ чительной мере способствуют протеканию диффузионных процессов при термодиффузионной обработке.

Определим начальные контактные давления, используя способ решения, данный в работе [25].

Как видно из рис. 9, после сочленения двух труб с натягом на­ ружный радиус внутренней трубы Яр.н равен внутреннему радиусу

а сумма абсолютных перемещений слоев ив и ия на границе контакта,

54

Решая полученное уравнение относительно контактного давления и подставляя в него значение АR из формулы (11), будем иметь

Для случая, когда сочленению подвергаются материалы с близ­ кими модулями упругости и коэффициентом Пуассона, равным при­ мерно 0,26, приняв Е„ = Es, т — 0,26, аг = 0,01 и а 2 = 0,024, преобразуем выражение следующим образом:

где

Анализируя формулы (13) и (14), видим, что контактное давление возрастает при увеличении предела текучести основного слоя и па­ дает при увеличении предела текучести и степени пластической де­ формации е2 плакирующего слоя. Иначе говоря, чем больше будет наклепан слой, со стороны которого прикладывается нагрузка, тем меньшие контактные давления возникнут в сочлененной паре труб. Аналогично влияние констант аг и а2 на величину контактного давления. Изменение контактного давления в зависимости от свойств сочлененных труб и их размеров представлено на рис. 10. С ростом X величина Рк/стт, н растет прямолинейно. Отрицательные значения Рк/аг н соответствуют области, в которой отсутствует контакт по­ верхностей (зазоры между слоями).

Увеличение а х при а 2 = const приводит к некоторому снижению контактных давлений, рост же а 2 при a t = const приводит к возра­ станию отношения Як/ат н. Это объясняется снижением величины упругой отдачи при росте а 2. Снижение а 2 и увеличение а х сдвигают область контакта в сторону больших значений X, т. е. контакт между поверхностями сочлененных труб возникает только при высоких значениях сгт.н в случае прочих равных условий (рис. 10 и 11).

55

область отсутствия контакта после деформации, а лежащие выше — область контакта поверхностей сочленяемых труб.

Решая выражение (14) относительно еа, получим формулу для определения допустимой деформации наружного слоя, обеспечиваю­ щей сохранение контакта слоев:

Так, например, для сочленения наклепанной нержавеющей стали Х18Н10Т с термически обработанным армко-железом (А = 5, а 2 = = 1,2, а 1 = 1,2) при необходимости создания контактного давления

66

в 21 МН/м2 (2,1 кгс/мм2) степень деформации наружного слоя дол­ жна быть (упрочнением основного нержавеющего слоя пренебрегаем):

Из формулы (15) видно, что чем большее давление нужно создать, тем меньше нужно деформировать слой, со сторонң которого прикла­ дывается нагрузка. Кроме того, чем интенсивнее упрочняется сталь при деформации, тем меньшей дефор­

жно подвергать предварительной деформации до 40—60%. Обжатие составленных в пары труб необходимо вести со стороны более пла­ стичного слоя, имеющего меньшую упругую деформацию. Степень деформации плакирующего слоя не должна превышать определенной величины, так как упрочнение его в процессе пластической деформа­ ции (волочения, раздачи) повышает упругую отдачу, что в свою оче­ редь снижает натяг, а следовательно, и контактные давления.

При изготовлении толстостенных двухслойных заготовок под горячую деформацию соприкосновение контактных поверхностей труб и требуемый натяг, как показал опыт, может контролироваться величиной деформации плакирующей трубы. Коэффициент вытяжки должен находиться при раздаче в пределах 1,02— 1,05, при волоче­ нии 1,02— 1,10. В последнем случае значение коэффициента вытяжки зависит от величины редуцирования наружной трубы по внутреннему

При этом процесс приведения контактных поверхностей в соприкос­ новение должен осуществляться с небольшим обжатием по толщине стенки.

Для изготовления биметаллических заготовок пользуются спосо­ бами центробежного литья, сварки—пайки в вакууме, сварки взры­ вом и термодиффузионной сварки.

57

С п о с о б о м ц е н т р о б е ж н о г о л и т ь я можно изготав­ ливать многие виды биметаллических заготовок широкого сорта­ мента — по диаметру от 83 до 900 мм, по толщине стенки от 10 до 250 мм и длиной от 1 до 4 м. Получить биметаллические заготовки с наружным относительно легкоплавким металлом, например мед­ ным, невозможно. Нельзя также отлить биметаллические заготовки без загрязнения внутреннего слоя металлом наружного, особенно границы раздела (например, меди железом). Невозможно получить литьем наружный слой с высоким, а внутренний — с очень низким содержанием углерода. После литья необходима обточка и расточка заготовок с учетом фактического раздельного диаметра, что при серий­ ном производстве, вызывает определенные трудности и приводит к повышенным потерям металла. Значительные же колебания разме­ ров заготовки нежелательны для последующего передела. Литые биметаллические заготовки большинства сочетаний металлов могут быть успешно использованы при переделе их в трубы. В ряде же случаев технологический процесс переработки их в трубы ослож­ няется наличием литой структуры (например, биметалл сталь 10 + + бронза Бр 0Ф7—0,2, сталь 10 + никель и сплавы с высоким содер­ жанием хрома и других металлов).

Расчет размеров биметаллических труб осуществляют обычным методом, а при расчете литья следует учитывать припуски на механи­ ческую обработку.

С п о с о б о м с в а р к и — п а й к и можно изготовлять биме­ таллические заготовки многих видов. Технология сварки—пайки заключается в следующем. В предварительно нагретую наружную трубу вводят внутреннюю холодную трубу с нанесенным на нее легкоплавким подслоем. При нагреве сочлененной заготовки до тем­ пературы сварки, подслой, температура плавления которого ниже температуры сварки, переходя в жидкое состояние, заполняет все неровности между контактными поверхностями.

Достоинством этого способа является-возможность автоматиза­ ции технологического процесса. Кроме того, этим способом можно изготовлять биметаллические заготовки из металлов, нагрев которых допустим только в вакууме, например тугоплавких, а также из метал­ лов, образующих при непосредственном контакте хрупкие фазы, например сталь + титан, нержавеющая сталь + тугоплавкий ме­ талл и др.

К недостаткам способа относятся ограниченная длина заготовок (до 400 мм), что объясняется условиями их сборки, необходимость тщательной механической обработки исходных монометаллических труб, а также увеличение количества проходов при последующем холодном переделе.

Из-за отмеченных недостатков этот способ применяют в основном при изготовлении заготовок для малосерийных объемов производ­ ства, уникальных видов биметаллических труб, в том числе труб из тугоплавких металлов.

С п о с о б о м с в а р к и в з р ы в о м можно изготовлять прак­ тически любые биметаллические заготовки широкого сортамента.

58

Последующая переработка их до готовых размеров на действующем оборудовании для многих сочетаний металлов не вызывает затруд­ нений. Исключение представляют биметаллы, на границе раздела которых образуются хрупкие химические соединения или хрупкие растворы, получаемые вследствие оплавления контакта слоев при соударении контактных поверхностей.

Этим способом в основном получают биметаллические заготовки из металлов с большой разницей температур плавления. К ним, на­ пример, следует отнести биметалл сталь + алюминий.

При изготовлении труб с особо точными размерами слоев этот способ изготовления заготовки не рекомендуется из-за большой волнистости раздельного диаметра, которая сохраняется и в готовой трубе.

заготовки углеродистая сталь + цветные металлы, нержавеющая сталь + армко-железо ограниченного сортамента для последующего холодного передела их в готовые трубы. Наружный диаметр загото­ вок — до 80 мм, толщина стенки до 12 мм.

Возможно изготовление биметаллических заготовок больших размеров под горячую деформацию.

Г лава III

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ

СОЕДИНЕНИЕ СЛОЕВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ

Основным требованием, предъявляемым к биметаллическим тру­ бам, является наличие прочной связи слоев по длине и периметру трубы. Выполнение этого условия гарантирует высокие эксплуата­ ционные качества биметаллических труб, проведение без осложнения всевозможных технологических операций, таких, как гибка, раздача, отбортовка фланцев, завальцовка торцов.

В основе получения прочной связи слоев двухслойной заготовки лежит явление схватывания металлов, под которым понимают соеди­ нение металлов с образованием прочных металлических связей.

При разработке технологии и определении оптимальных парамет­ ров основных операций, к которым относятся подготовка контакт­ ных поверхностей, составление пар с определенным зазором, приве­ дение в контакт свариваемых поверхностей с образованием радиаль­ ных контактных давлений, нагрев при диффузионной обработке или для последующей совместной пластической деформации и, наконец, собственно приложение внешних сил (прокатка, взрыв), важно знать механизм сцепления и взаимосвязь условий соединения разнородных

59

металлов с физическими процессами, протекающими на границе ме­ таллов.

При видимой простоте процесса механизм образования сварного соединения при пластическом деформировании в действительности достаточно сложен.

Длительное время природа образования прочных связей между двумя ранее разобщенными поверхностями была предметом присталь­ ного внимания ученых, причиной долгих споров. Этот вопрос и до настоящего времени остается недостаточно ясным.

Был высказан ряд гипотез, которые с различной степенью досто­ верности описывают процесс и механизм образования соединения в твердой фазе. В основу одной из гипотез, так называемой пленочной J26 ф, положено предположение, что для возникновения сил взаимо­ действия между сближенными поверхностями двух тел необходимо очистить эти поверхности от окисных и жировых пленок, адсорби­ рованных на них, и что соединение чистых поверхностей тел происхо­ дит в результате течения поверхностных слоев металла при совмест­ ном пластическом деформировании.

Основой рекристаллизационной гипотезы [271 является представ­ ление о рекристаллизации как об основном факторе, определяющем образование соединения в твердой фазе. По этой гипотезе деформация и сопутствующий ей наклеп металла при одновременном воздействии относительно высоких температур приводят к перестройке атомов в кристаллических решетках соединяемых тел и к образованию на их границах новых зерен, одновременно принадлежащих обоим телам.

В соответствии с диффузионной гипотезой в основе образования связей между контактирующими поверхностями лежат процессы взаимного диффузионного перемещения атомов в глубь соединяемых тел 1281;

Энергетическая гипотеза [29] предполагает способность к схва­ тыванию реального поликристаллического металла, атомы которого обладают энергией выше энергетического порога схватывания, ха­ рактерного для данного металла. Активизация атомов поверхност­ ных слоев металла происходит за счет сообщения им дополнительной энергии в тепловой, механической или других_фо^шах.,

Современная физика рассматривает любой металл как совокуп­ ность положительно заряженных ионов и большого числа свободных электронов, находящихся в постоянном взаимодействии одновре­ менно со многими ионами. Это взаимодействие «облака» коллективи­ зированных электронов с ионами решетки и определяет цельность металлического тела.

При определенных условиях такие же силы могут возникнуть и между поверхностями двух соединяемых металлических тел. При их сближении на очень малые расстояния, соизмеримые с парамет­ рами кристаллической решетки, тела начинают обмениваться свобод­ ными электронами, которые при этом пролетают через поверхность раздела. В результате такого обмена образуется общее облако коллек­

60