книги из ГПНТБ / Биметаллические трубы

тепловые колебания с большей или меньшей амплитудой, атомы могут не вернуться к своим прежним центрам колебаний. Такое пере­ мещение атомов, превышающее средние межатомные расстояния, называют диффузией. При повышении температуры диффузия уско­ ряется вследствие увеличения амплитуды колебания атомов кристал­ лической решетки.

Так как границы зерен имеют большое количество несовершенств кристаллической решетки, диффузия по границам зерен происходит с большей скоростью. В поверхностном слое металлов наблюдается большая плотность искажений, что обусловливает протекание по­ верхностной диффузии, скорость которой больше скорости гранич­ ной диффузии.

Существует несколько схем, объясняющих механизм диффузии. Наибольшее совпадение теоретических и экспериментальных данных получено для механизма, основанного на принципе последователь­ ного замещения вакантных узлов в решетке. Это представление выдвинуто А. Ф. Иоффе [ЗОІи успешно развито Я- И. Френкелем [31 ]. При вакансионном механизме диффузии атом, находящийся в узле кристаллической решетки, может перейти в соседний узел при усло­ вии, что это место свободно (вакантно). Для этого диффундирующему атому в результате термической активации необходимо преодолеть потенциальный барьер между узлами. Энергию активации диффузии Q рассматривают как сумму энергий активации образования Qo6 и

в кристаллической решетке вакансий. Реальные металлы содержат большое количество линейных несовершенств — дислокаций. Ско­ рость диффузии по дислокационному ядру зависит от величины век­ тора Бюргерса. Дислокации, генерируемые внутри металлов, яв­ ляются термодинамически неустойчивыми дефектами и стремятся выйти на свободную поверхность. Выход дислокации на поверхность сопровождается появлением ступеньки сдвига. С увеличением внеш­ ней нагрузки количество дислокаций, вышедших на поверхность, растет, одновременно увеличивается высота ступеньки сдвига на обеих контактирующих поверхностях. Границы зерен также имеют значительное количество несовершенств кристаллического строения. Поэтому энергия активации диффузии по границам зерен и поверх­ ностной миграции атомов значительно ниже энергии активации объемной диффузии.

Таким образом, в отношении ускорения диффузионных процессов значительный интерес представляет создание неравновесных дефек­ тов в структуре при пластической деформации.

В процессе пластической деформации создается избыточная кон­ центрация вакансий, ускоряющая диффузию. Для получения соеди­ нения двух идеальных образцов необходимо сблизить свариваемые поверхности на расстояние, достаточное для установления металли­ ческих связей.

61

Однако идеальных поверхностей не существует, а реальные ме­ таллические поверхности никогда не бывают гладкими и всегда по­ крыты пленками окислов и адсорбированных газов. Поверхность любого, даже тщательно отполированного твердого тела всегда волниста, шероховата и покрыта множеством микроскопических выступов. Горяче- и холоднодеформированные трубы имеют еще продольную волнистость, располагающуюся по винту с большим и малым шагом, овальность сечения и разностенность поперечную

ипродольную. Кроме них, на поверхности труб имеются дефекты

ввиде вмятин, рисок, обусловленных способом производства. Все эти искажения являются макронеровностями.

Вместе с тем на поверхности труб, как и на поверхности 'любого металла, находится значительное количество микронеровностей.

Даже при механической обработке поверхностей, вплоть до поли­ ровки, высота выступов превышает 10 нм (100 Â). Поэтому при сбли­ жении таких поверхностей их начальное соприкосновение происхо­ дит по отдельным точкам, расположенным на гребнях волнистости (рис. 12). Контакт при этом имеет прерывистый характер. Площадь касания невелика, диаметр пятна касания микровыступов достигает 30—50 мкм и зависит от свойств металла, чистоты обработки, уси­ лия нагружения и др.

Обычно различают номинальную площадь касания 'F„, очерчен­ ную внешними границами соприкасающихся поверхностей, контур­ ную площадь соприкосновения FK, являющуюся суммой площадок, расположенных на гребнях волнистостей, на которых находятся точки физического контакта поверхностей (микровыступы) и, нако­ нец, физическую площадь контакта представляющую собой сово­ купность элементарных площадок касания вошедших в контакт микровыступов.

Таким образом, даже при значительном числе одновременно вошедших в контакт микровыступов суммарная фактическая площадь

62

При этом, если даже возникнут локальные очаги схватывания с до­ статочной прочностью, прочность всего соединения в целом будет намного меньше прочности исходных материалов. Прочность изде­ лия, достаточная для эксплуатации, может быть достигнута в том случае, когда по всей номинальной площади произойдет сварка, т. е.

сварка есть сумма схватываний при 5 >FH. В пределе прочность сварки стремится к прочности менее прочного металла композиции при одинаковых условиях испытаний.

Установлено [32, 33], что по мере увеличения нагрузки растет общее количество пятен контакта и размер каждого из них. Размер отдельного пятна увеличивается лишь в области малых нагрузок, а при повышении нагрузки площадь касания возрастает в основном за счет увеличения числа пятен при сохранении их размера, т. е. начинают входить в контакт выпуклости и вогнутости, связанные

собщей волнистостью поверхности. Образование площади контакта связано с пластической деформацией выступов.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что для получения прочной сварки двух металлов необходима тщатель­ ная очистка контактных поверхностей от адсорбированных ими ве­ ществ и окисных пленок и обеспечение контакта этих поверхностей

смаксимальным увеличением площади фактического контакта, т. е. до величины его номинальной площади.

Первое условие может быть выполнено применением различных видов обработки (механической, химической, электрохимической) контактных поверхностей труб в процессе их подготовки к состав­ лению в пары.

Второе — путем проведения операции сочленения (волочение,, проталкивание, раздача, холодная прокатка, запрессовка), в про­ цессе которой воздух вытесняется из межслойного зазора. После приведения поверхностей в соприкосновение между ними возникают

усилия, под действием которых микровыступы, вошедшие первыми в контакт, сминаются, в контакт вступают новые микровыступы, находящиеся на большем расстоянии и т. д. По мере смятия ранее вступивших в контакт выступов поверхности будут продолжать сближаться, последовательно проходя через очаг деформации. Вой­ дут в соприкосновение макровыступы (волнистость), образуя совмест­ ную границу слоев по всей длине и периметру (рис. 13). При этом величина совместной деформации должна быть больше суммы иска­ жений канала труб макро- и микроскопического характера. Однако обеспечение простого прилегания поверхностей может оказаться недостаточным, поэтому в ряде случаев для разрушения пленок окис­ лов и удаления адсорбированных пленок необходимо обеспечить пла­ стическое течение макрообъемов металлов по поверхности касания. При этом будет происходить относительное перемещение сопрягае­ мых поверхностей с одновременным их «притиранием» и взаимным внедрением металлов.

Возможны два случая, определяемые наличием оборудования для проведения операции сочленения. Первый и основной — это пласти­ ческое деформирование (волочение или раздача) двух металлов с при­

63

ложением нагрузки со стороны мягкого, менее прочного металла. При этом второй слой, играя роль оправки, будет способствовать возникновению на границе слоев напряжений, значительно превы­ шающих предел пластического сопротивления мягкого металла. При смещении поверхностей произойдет взаимное внедрение металлов во все неровности и шероховатости поверхностей и устранение их вол­ нистости, а также разрушение пленок. При этом необходимо стре­ миться к сохранению в двухслойной заготовке после сочленения кон­ такта поверхностей за счет соответствующего подбора деформаций и соотношения свойств металлов. Этот случай характеризуется тем, что фактическая площадь контакта близка к номинальной.

Второй случай — деформирование со стороны более прочного слоя. При этом площадь фактического контакта значительно меньше

номинальной площади, так как касание происходит по микровысту­ пам без взаимного внедрения металлов. В ряде случаев этого оказы­ вается достаточно для получения впоследствии прочной сварки. Но и здесь,необходимо обеспечить отсутствие зазора между поверхно­ стями./Наличие зазора при последующем нагреве приводит к появ­ лению на поверхностях тонких окисных пленок, которые в некоторой степени разрушаются при значительной пластической деформации в нагретом состоянии (совместная горячая прокатка или прессова­ ние), а при малой (термодиффузионная сварка) остаются сплошными, и препятствуют сварке слоев.

Таким образом, в зоне контакта могут быть созданы благоприят­ ные условия для получения надежной сварки — без расслоений, без пор и прочих дефектов — в последующих процессах совместной горячей деформации и термодиффузионной обработки. Благоприят­ ные условия обеспечивают в некоторых случаях получение сварки в процессе холодной деформации. Разрушенные окисные пленки ого­ ляют чистые ювенильные поверхности металлов, которые, вступая *в контакт, образуют «мостики» сцепления. При соединении разно­ родных металлов, сильно различающихся по свойствам, вследствие сдвигов в зоне контакта возможно значительное выделение тепла,

64

из-за чего может начаться обмен атомов, напоминающий поверхност­ ную диффузию.

Процессы диффузии ускоряются, если двухслойную трубу с плот­ ным контактом слоев нагревают до некоторой оптимальной темпера­ туры, которая ускоряет перераспределение атомов и способствует устранению различного рода несовершенств кристаллической струк­ туры в зоне сварки. На основании экспериментальных данных Н. Ф. Казаков рекомендует оптимальные температуры нагрева ме­

Интервал температур диффузионной сварки, рекомендуемый этим автором для разных композиций металлов,

Т = (0,4-0,88) Тил.

При нагреве на границе сварки под действием начальных контакт­ ных давлений и давлений, возникающих за счет благоприятной раз­ ницы коэффициентов линейного расширения (ан < а в) либо за счет действия избыточного внутреннего давления (при ан > -ав), происхо­ дит пластическая деформация слоев.

При нагреве двухслойной заготовки повышается амплитуда и энергия колебания пограничных атомов и облегчаются условия образования сварки. При горячей прокатке и прессовании на пер­ вой стадии возникают условия развития физического контакта в ре­ зультате смятия микровыступов и шероховатостей, разрыва окисных пленок и введения в контакт ювенильных поверхностей, возрастает число единичных контактов мостиков -схватывания, а суммарная площадь физического контакта стремится к номинальной/ На второй стадии с увеличением внешней нагрузки растет количество вышедших на поверхность дислокаций и провоцируется химическая активация металла, а следовательно, возрастает число мостиков схватывания, стремящееся к своему пределу — сплошному сцеплению по всей площади соприкосновения [35].

Из приведенного анализа следует, что механизм образования сварки металлов в рассмотренных процессах одинаков, пластическая деформация в холодном и горячем состояниях является одним из способов получения чистых поверхностей с одновременным их сбли­ жением на расстояние действия межатомных сил, а нагрев обеспе­ чивает ускорение процессов диффузии. В ряде случаев в процессе диффузионной обработки в связи с малыми давлениями на контакте получаются только отдельные места схватывания (мостики), которые необходимо сохранить (не разрушить) на следующих этапах пласти­ ческого деформирования и развить до полного повсеместного схва­ тывания по номинальной площади контакта при следующих за пла­ стической деформацией обработках. Следует отметить, что при более полном схватывании металлов наблюдается более равномерная де­ формация слоев.

Как уже отмечалось, при горячей деформации можно применять двухслойные заготовки, собранные с зазором. При этом желательно

выдерживать зазоры минимальными с тем, чтобы они могли быть вы­ браны при нагреве за счет большего линейного коэффициента расши­ рения внутренней трубы. В этом случае на контакте поверхностей возникают давления и происходит схватывание металлов. Прочная сварка слоев обеспечивается за счет температуры и давления. Больше того, благодаря давлению сварка может наступить и при значитель­ ных зазорах, препятствующих возникновению контакта поверхностей и схватыванию металлов в стадии нагрева.

Так как процессы деформации осуществляются с большими ско­ ростями (продолжительность цикла 2—3 с), прочное сцепление слоев обеспечивается, вероятно, за счет металлических связей. Диффузи­ онные же процессы развиваются слабо или не наступают' вообще. Это подтверждается микроисследованиями структуры на границе раздела слоев. Линия раздела слоев четкая.

Последующие деформации и отжиг способствуют развитию диф­ фузионных процессов. На границе раздела появляется новая струк­ тура, отличающаяся от структуры слоев соединяемых металлов.

Из приведенных данных о явлениях, происходящих в зоне кон­ такта, ясно, что прочность сцепления зависит от физико-химических свойств металлов, состояния контактных поверхностей, условий де­ формации и нагрева.

Таким образом, сварка слоев является следствием протекания про­ цессов диффузии и образования металлических связей. В зависимо­ сти от параметров (температуры, скорости, давления) в разных спо­ собах производства преобладают те или иные процессы, обеспечи­ вающие прочную сварку металлов.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

При производстве биметаллических труб горячей деформацией применяют прессование и прокатку. Выбор способа и технологии производства зависит от сочетания металлов, их расположения, раз­ меров труб и слоев, требований к качеству и размерам труб. При по­ вышенных требованиях к качеству и малых размерах готовых труб производство их осуществляется в сочетании с холодным переделом (прокатка, волочение). Выбор исходной заготовки также опреде­ ляется конкретными условиями.

Рассмотрим особенности технологических процессов производства биметаллических труб способами прессования и прокатки на непре­ рывных и пилигримовых станах, а также влияние основных фак­ торов процессов на качество получаемых труб.

Производства биметаллических и монометаллических труб раз­ личаются лишь тем, что параметры технологических процессов дол­ жны обеспечить, кроме обычных качественных показателей, сохра­ нение физико-химических свойств каждого металла и прочную их сварку. Важнейшими факторами производства таких труб являются качественное изготовление заготовки, выбор способа нагрева, тем-

66

пературно-скоростных параметров, технологических смазок и сте­ пени деформации.

При установившемся процессе горячей пластической деформации для многих сочетаний разнородных металлов деформация слоев практически пропорциональная. При этом существенное значение имеют конфигурация технологического инструмента, внешнее и меж­ слойное трение, а также расположение слоев в заготовке. Если слой мягкого металла в двухслойной заготовке расположен снаружи, деформация при прокатке менее равномерная, особенно в попереч­ ном сечении.

При неустановившемся процессе наблюдается повышенная про­ дольная и поперечная неравномерности деформации. Больше того, передний конец трубы образуется только из металла внутреннего слоя. Величина его зависит от размеров, расположения и пластич­ ности слоев заготовки и их схватывания. Желательно, чтобы схва­ тывание металлов наступало до начала совместной их деформации. Этому способствует изготовление заготовки с натягом, больший коэф­ фициент линейного расширения внутреннего слоя (ав > ан), а в ряде случаев и неравномерный по сечению нагрев заготовки. Эти факторы повышают межслойное трение и способствуют выравниванию дефор­ мации слоев заготовки Е

При деформации заготовки, собранной с зазором между слоями, также создаются условия для схватывания слоев, но длина переднего конца трубы, продеформированного при неустановившемся про­ цессе, больше, а прочность сварки слоев меньше или сварка отсут­ ствует.

Учитывая это, рекомендуется сборку заготовки, где это вызы­ вается необходимостью, осуществлять с минимальным зазором, кото­ рый устранялся бы при нагреве за счет благоприятной разницы коэф­ фициентов линейного расширения слоев.

Калибровка технологического инструмента

Характерной чертой всех способов горячей деформации является повышенная относительная разностенность слоев по сравнению с разностенностью суммарной стенки. При этом величина ее при прокатке больше, чем при прессовании. Объясняется это явление особенностями калибровки технологического инструмента прессов и прокатных станов.

При прессовании применяют матрицы с круглым замкнутым ка­ либром, который обеспечивает высокую точность геометрических размеров слоев. Наклон образующей входного конуса матрицы со­ ставляет 22—25°. Такие углы, как показала практика, являются оптимальными. При больших углах острые кромки прессшайбы перегреваются, она деформируется и соответственно, заклинивается

'С м о р щ о к В. С. Некоторые вопросы исследования процесса прессования биметаллических труб. Автореф. канд. дис. Днепропетровск, 1966.

игла. Это подтверждается опытом (прессование обычных стальных труб).

На непрерывных и пилигримовых станах прокатку биметалличес­ ких труб ведут в валках, ручьи которых имеют выпуски, что отри­ цательно сказывается на точности размеров слоев. Для повышения точности применяют «круглую» калибровку валков с минимальным соотношением высоты и ширины калибра, а прокатку ведут с макси­ мально возможной частной деформацией. Круглую калибровку должны иметь валки первых 2—3 клетей непрерывного стана и на­ чальная часть ручья валков пилигримового стана, обеспечивающие сварку металлов.

От калибровки этих клетей зависит в значительной степени и разностенность слоев. В остальных клетях допускается повышенное от­ ношение ширины калибра к высоте. Этим облегчается извлечение длинной оправки из трубы и исключаются подрезы наружной по­ верхности труб. Настройка стана с такой калибровкой не вызывает трудностей.

Особенно важно применение круглой калибровки при всех спо­ собах производства биметаллических труб с наружным мягким ме­ таллом. Разностенность больше при расположении мягкого металла снаружи трубы. С увеличением толщины мягкого слоя абсолютная и относительная разностенность растет независимо от его располо­ жения.

Опыт прокатки передельных биметаллических труб сталь 10 + + медь МЗр и сталь + никель размером 57X4,5 мм из двухслойных заготовок размерами 85x16,0x1000— 1400 мм, нагретых соответ­ ственно до 880—920 и 1190— 1200° С, показал, что толщина слоев меди и никеля находилась в основном в пределах 0,7— 1,3 мм, попе­ речная разностенность доходила до 0,5 мм. Меньшая поперечная разностенность наблюдалась на задних концах труб.

При использовании круглого калибра прочность сварки повы­ шается. Так, в круглом замкнутом калибре при горячем волочении двухслойной заготовки сталь 10 + медь МЗр удовлетворительная проч­ ность сварки между слоями обеспечивается при деформации стенки

- на 15%.

При прокатке на непрерывном и пилигримовом станах деформация по толщине стенки для достижения той же прочности должна быть значительно больше (40—60%).

Опыт прессования' биметаллических труб сталь 10 + сталь 0Х18Н10Т показал, что удовлетворительное качество сварки обеспечивается при минимальном коэффициенте вытяжки, рав­ ном 5,5.

Во всех случаях, особенно при внутренней плакировке труб, ре­ комендуется минимальное редуцирование двухслойных заготовок по внутреннему диаметру, а при возможности — даже исключение его, так как это повышает радиальную составляющую деформации внут­ ренних слоев и удельные давления на контакте при прочих равных условиях и соответственно прочность сварки слоев [36].

68

ляет значительные трудности. Наличие же окалины резко ухудшает качество труб и снижает стойкость инструмента.

Удаление окалины на обкатных станах допустимо лишь с неболь­ шими обжатиями по диаметру при качественной заварке торцов двухслойных заготовок. Применение для удаления окалины гидросбива и обкатки эффективно только для наружной поверхности. При некачественной заварке торцов или ее отсутствии обкатка может вызвать разгерметизацию и окисление контактных поверхностей двухслойных заготовок, уменьшить прочность сварки или привести к образованию расслоений в биметаллических трубах. В случае биметаллических заготовок обкатка допускается.

Были исследованы режимы нагрева двухслойных заготовок сталь 10 + сталь 0Х18Н10Т размером 135—260 мм, собранных с диаметраль­ ным зазором 0,5—0,6 мм, в индукционных печах с частотой тока 50, 500, 1000 и 2500 Гц при разной подводимой мощности. При нагреве контролировали температуру по сечению заготовки (рис. 14).

Установлено следующее:

а) током, индуктируемым в заготовке, нагревается в основном наружная труба; внутренняя труба нагревается в начале излуче­ нием, затем теплопередачей (при а и < + в);

б) с повышением частоты тока при постоянной подводимой к ин­ дуктору мощности увеличивается скорость нагрева наружных слоев наружной трубы заготовки и перепад температуры по сечению наруж­ ной и внутренней труб;

в) с повышением мощности, подводимой к индуктору (при посто­ янной частоте), увеличиваются скорость нагрева наружной трубы и перепад температуры между слоями;

г) с понижением частоты тока и мощности индукторов скорость нагрева и перепад температур по сечению наружного и внутреннего слоев уменьшаются.

Исследования режима нагрева двухслойных заготовок'сталь 10 + бронза БрОФ 7—0,2 и сталь 10+бронза БрАЖ 9—4 размерами 82X26X150 и 150x49x500 мм, изготовленных с плотным прилега­ нием слоев, проведены на индукционной установке и в электрической печи сопротивления.

В горизонтальной индукционной печи типа ОКБ-337 (мощность 100 кВт, напряжение 750 В, частота тока 2500 Гц) нагревали заго­ товки меньших, а в камерной печи электросопротивления типа ОКБ-210 (мощность 180 кВт) больших размеров. Нагрев осуществляли в методическом режиме. Исследовали нагрев при подводимой мощ­ ности в 20, 50 и 90 кВт. Температуру внутренней поверхности кон­ тролировали термопарой, вводимой внутрь заготовки, наружной — оптическим пирометром.

Оптимальный температурный интервал нагрева при прессовании биметаллических труб сталь 10 + бронза БрОФ 7—02 на гидравличес­ ком прессе мощностью 6000 кН (600 тс) из малых заготовок (коэффи­

70