книги из ГПНТБ / Крупин А.В. Прокатка металлов в вакууме учеб. пособие

риала. При этом диффузия металлов в молибден будет при про­ чих равных условиях идти хуже. Следовательно, с увеличением объема атома ухудшаются и процессы схватывания. Иными словами, для образования соединения в биметалле в данном случае необходимо сообщить больше энергии, чем при соедине­ нии молибдена с металлами с небольшими объемами атомов, например с железом, никелем и т. п.

4. Влияние условий прокатки в вакууме на свойства переходной зоны биметаллов

Одно из основных требований, предъявляемых к переходной зоне биметаллов,— это обеспечение заданной прочности соеди­ нения составляющих. Поэтому очень важно количественно оце­ нить прочность полученного соединения.

Рис. 143. Образцы для испытания прочности слоев биметалла и схемы испытания образцов на срез:

Известно несколько способов испытания прочности соедине­ ния, которые применяют в лабораторных и производственных условиях:

1) разднрка; 2) на срез; 3) на отрыв; 4) на скол; 5) на изгиб. Наиболее часто применяют испытания на отрыв, когда на­ грузка прилагается перепендикулярно, и на срез, когда нагрузка прилагается параллельно границе соединения. Для испытания используют образцы различного типа (рис. 143). При испытании на срез площадку среза обычно делают равной полутора тол­ щинам плакирующего слоя. Глубина паза в слое равняется

толщине слоя.

203

Для оценки качества соединения составляющих биметалла принимают условную величину прочности соединения стсц> опре­ деляемую из соотношения

_ _ Р _

°сц F >

где Р — максимальное усилие отрыва или среза; F — площадь поверхности отрыва.

Иногда качество соединения оценивают технологической пробои на изгиб. Испытания заключаются в гибе образца во­ круг оправки определенного радиуса на угол 90° с последую­ щей разгибкой. При этом плакирующий слой располагают в зо­ не растянутого волокна. После испытаний за один или несколько

на прочность соединения составляющих на примере биметаллов сплав титана ВТ6С — бронза Бр.Х08 и сплав титана ВТ6С — нержавеющая сталь Х18Н10Т.

Наиболее прочное соединение составляющих указанных би­ металлов достигается при прокатке в высоком вакууме 6,65 X ХЮ"3 Н/м2 (5- ІО-5 мм рт. ст.).

При прокатке на воздухе этих биметаллов прочное соедине­ ние составляющих не обеспечивается, что объясняется наличием окисных пленок и газонасыщенного слоя на поверхностях кон­ такта.

В ряде исследований процесса прокатки биметаллов на воз­ духе указывается, что для получения прочного соединения необ­ ходимо применять повышенные обжатия — от 35 до 90%.

Опыты показывают (рис. 144), что биметалл ВТ6С — Бр.Х08 при прокатке в вакууме 6,65ІО"3 Н/м2 (5- ІО"5 мм рт. ст.) и тем­ пературе 700° С имеет прочность соединения 177—196 МН/м2 (18—20 кгс/мм2) уже при обжатии на 5%. С увеличением обжа­

204

дальнейшее повышение степени деформации практически не влияет на прочность соединения.

Многочисленными исследованиями установлена общая законо­ мерность, заключающаяся в том, что при прокатке биметаллов в вакууме обеспечивается высокая прочность соединения состав­ ляющих при значительно меньших обжатиях (в 2—3 раза) по сравнению с прокаткой в обычных условиях, требуются меньшие усилия деформаций, расход энергии и т. д. Кроме основного преимущества получения биметаллов с высокой прочностью и пластичностью соединения, в том числе с составляющими, не соединяющимися при деформации на воздухе, прокатка в вакууме проходит с лучшими технико-экономическими показателями, чем деформация на воздухе в сопоставимых условиях.

На прочность соединения биметалла ВТ6С—Бр.Х08 в усло­ виях прокатки в вакууме значительно влияет температура. При температуре нагрева 400° С и прокатке с обжатием 30% состав­ ляющие не соединяются. При 700°С й е= 30% прочность соеди­ нения равна аСц = 392 МН/м2 (40 кгс/мм2). При нагреве до 870° С возникает эвтектика, которая после затвердевания обра­ зует соединение, обладающее высокой твердостью и отрица­ тельно влияющее на качество изделий. Поэтому чтобы исклю­ чить появление жидкой эвтектики, биметаллы ВТ6С — Бр.Х08 и ВТ6С — Х18Н10Т с бронзовой прокладкой следует нагревать не выше 830—850° С.

Между соединяемыми пластинами разнородных металлов в процессе их совместной пластической деформации протекают сложные физико-химические процессы, приводящие к изменению структуры и свойств составляющих в приконтактных слоях и образованию переходной зоны.

Основной показатель, характеризующий качество биме- • талла,— прочность соединения, зависит от свойств переходной зоны, на которые, в свою очередь, влияют ее состав, структура, протяженность и другие факторы.

Примерное представление о составе переходного слоя можно получить из диаграмм состояния. Однако отсутствие равновес­ ных условий и многокомпонентность составляющих биметалла делают это представление слишком приблизительным. Наиболее надежные данные получают из экспериментов.

Состав и протяженность переходной зоны биметаллов изу­ чают с помощью микроструктурного, рентгеноструктурного и

Бр.Х08 наблюдается повышенная травимость зон, непосредст­ венно прилегающих к границе раздела. Данное явление, видимо, вызывается неравномерностью деформации в зонах контакта

205

л действием микрогальванических пар, образованных контакти­ рующими микрообъемами.

С помощью микроструктурного анализа диффузионная зона не выявляется.

Вблизи границы раздела биметалла ВТ6С — Бр.Х08 микро­ твердость возрастает (рис. 145). Специфические условия измере­ ния микротвердостн вблизи границы, а также неоднородность

3920 МО)

Рис. 145. Изменение микротвердости в контактной зоне биметалла

1 — 5; 2 — 20; 5 — 60

пластической деформации в узкой приконтактнон зоне не по­ зволяют сделать однозначный вывод об изменении фазового со­ става приконтактной зоны.

Методом микро-т. э. д. с. также не обнаружено изменения состава приконтактных зон. Однако качественный спектральный анализ поверхностей раздела (после поочередного растворения составляющих биметалла) показывает, что на поверхности ВТ6С после полного стравливания Бр.Х08 имеется медь, а на поверхности Бр.Х08 после стравливания ВТ6С— титан. Данные •спектрального анализа свидетельствуют о протекании диффу­ зионных процессов в приконтактных объемах составляющих ВТ6С — Бр. Х08 в соответствии с рассмотренным выше механиз­ мом этих процессов. Результаты качественного спектрального

206

анализа подтверждаются данными послойного рентгеноструктур­ ного анализа.

При съемке рентгенограмм слоя Бр.Х08, отстоящего от гра­ ницы раздела на расстоянии от 0,01—0,02 мм, на рентгенограмме выявляются линии, соответствующие только матрице составляю­ щей (a-твердому раствору на основе меди). При съемке с гра­ ницы раздела появляются (кроме линий, соответствующих твер­ дому раствору на основе титана) новые линии, соответствую­ щие соединениям титана и меди.

Например, результаты реитгеноструктурного фазового ана­ лиза поверхности раздела биметалла, прокатанного при темпе­ ратуре 700°С с обжатием 5%, указывают на присутствие в пе­ реходном слое трех интерметаллидов: ТізСи, ТіСи п ТіСи3.

Аналогично, проиидицированные штрихрентгенограммы об­ разцов, прокатанных при температуре 700° С и обжатии 20 и 60%, а также 750, 800° С и обжатии 20%, показали содержание интерметаллидов.

Однако присутствие указанных интерметаллидов в зоне кон­ такта после прокатки в вакууме не снижает прочности соедине­ ния; как уже отмечалось, образцы (7= 650; 800°С; е= 20%) в основном разрушаются по бронзовой составляющей. Также ос­ тается высокой пластичность переходного слоя; при испытании на изгиб разрушение происходит по внешней плоскости состав­ ляющей ВТ6С. Это подтверждается работами Хьюджа, в кото­ рых указано, что биметалл титан—медь сохраняет прочность, несмотря на слой интерметаллидов, что, по-видимому, можно объяснить его небольшой протяженностью.

Для более детального изучения переходной зоны применяют способ ее выращивания (длительный отжиг при сравнительно высоких температурах).

Микроструктура приконтактных объемов биметалла, отож­ женного в течение 2 ч при повышении температуры до 500° С, а также пролежавшего в атмосферных условиях свыше 2 лет, не изменяется по сравнению с микроструктурой переходного слоя этого биметалла до отжига.

Характер расположения линий на рентгенограммах, мпкро- т. э. д. с. и микротвердость по сечению шлифа также не изменя­ ется по сравнению с этими характеристиками до отжига. Однако дальнейшее повышение температуры приводит к изменению со­ става и протяженности переходной зоны. Так, при 800° С уже после 10-мин нагрева на шлифе выявляются три слоя, четко отделенные один от другого. Более продолжительная выдержка при 800° С приводит к образованию новых слоев и к дальней­ шему интенсивному росту протяженности переходной зоны. На­ пример, при 50-мин выдержке толщина слоя интерметаллидов достигает 150 мкм (рис. 146).

В переходном слое биметалла, отожженного при 800° С в те­ чение 50 ч, различают 5—6 отдельных слоев, причем наиболь­

207

шей протяженностью (85 мкм) обладает столбчатый слой. Со стороны меди находится твердый раствор титана в меди, со сто­ роны титана — твердый раствор меди в титане (200 мкм). Мак­ симальной твердостью 5650 МН/м2 (576 кгс/мм2) обладает столбчатая зона, непосредственно пріилегающая к твердому ра­ створу меди в титане (рис. 147).

Данные измерения микротвердости подтверждаются резуль­

терметаллиды указывают также микро­ структура переходной зоны, изменение микротвердости микро-т. э. д. с. (см. рис. 151, 152).

Известно, что состав и протяженность переходной зоны ре­ шающим образом влияют на прочность соединения биметалла. Изменения в составе и величине переходной зоны, как правило, вызывают изменение прочности соединения. Двухчасовой отжиг образцов при температурах до 500° С не изменяет прочности со­ единения; при нагреве выше 500° С прочность начинает падать (рис. 150).

С увеличением времени выдержки при каждой температуре также снижается прочность соединения. Однако интенсивность этого процесса при разных температурах различна. Для каждой температуры существует определенное время выдержки (инку­ бационный период), начиная с которого прочность заметно по­ нижается. Так, прочность биметаллических заготовок (в том числе ВТ6С—Х18Н10Т), пролежавших в атмосферных условиях более двух лет, не снижается, а 30-мин отжиг при 800° С приво­ дит к снижению прочности соединения до 81,9 МН/м2 (8,36 кгс/мм2) .

Падение прочности с увеличением температуры и времени отжига вызывается развитием указанных выше диффузионных

208

Рис. 147. Изменение микротвердости переходного слоя биметалла ВТ6С—Бр.Х08, отожженного при температуре 800° С в течение 50 ч

Рис. 148. Микроструктура переход­ ного слоя биметалла ВТ6С—Бр.Х08, отожженного при температуре 800° С в течение 50 ч

Рис. 149. Изменение микро-т. э. д. с. переходного слоя биметалла ВТ6С—Бр.Х08, отожженного при температуре 800° С в течение 50 ч

14 Заказ № 510

процессов, которые приводят к росту протяженности хрупкого слоя интерметаллидов.

Деформация в вакууме существенно влияет на коррозион­ ную стойкость плакированных металлов, которую определяют по времени нахождения образцов в парах 3%-ного водного ра­

ной стойкостью бронзовой составляющей. Биметаллические заго­ товки, полученные прокаткой на воздухе, разрушались по по­ верхности соединения через шесть и три месяца соответственно.

Одним из способов, позволяющих получать биметаллы с вы­ сокими прочностными и пластическими свойствами, служит вве­ дение промежуточных прослоек. Рассмотрим влияние материала и толщины прослоек на прочность и пластичность соединения биметаллов на примере тех же композиций (ВТбС — Х18Н10Т и ВТ6С — Бр.Х08).

Материал прослоек выбирают, исходя из их механических и физических свойств и вида диаграмм состояния, которые они об­ разуют с материалом составляющих биметалла. Материал и толщина прослоек, выбранных для указанных композиций би­ металла, приведены в табл. 39.

Данные по прочности соединения, относительному обжатию и конечным толщинам прослоек представлены на рис. 151—155. При прокатке пакетов ВТ6С—Х18И10Т с прослойками из бронзы и ванадия прочность соединения равна или выше прочности про­ слойки и достигает 455 и 715 МН/м2 (46,5 и 73 кгс/мм2) соот­ ветственно (рис. 154, 155).

Образцы ВТ6С—Х18Н10Т с одинарными прослойками из ниобия, никеля, титана и хрома разрушаются по границе нержа­ веющая сталь—прослойка. При этом прочность соединения до­ стигает высоких значений, МН/м2 (кгс/мм2): 490 (50,0); 262 (26,7); 389 (39,7); 323 (33,0) соответственно (рис. 153). С повы­ шением температуры прокатки в вакууме прочность соединения образцов с бронзовой прослойкой понижается (рис. 152). Это,

210

по-видимому, объясняется ростом зерна бронзы и более полным прохождением в ней процесса рекристаллизации при 800° С по сравнению с 700° С.

В образцах с титановой прослойкой с повышением темпера­ туры от 800 до 1000° С прочность соединения снижается (рис. 153); в образцах с ниобиевой прослойкой при увеличении температуры от 950 до 1000° С прочность соединения возрастает (рис. 153).

Образцы ВТ6С—Х18Н10Т с двойной прослойкой и биметалл ВТ6С—Бр.Х08 с ниобиевой прослойкой разрушаются на границе ниобий — сплав ВТ6С. Прочность соединения при этом достигает 265 МН/м2 (27 кгс/мм2). При получении биметалла в два цикла выявляется существенный недостаток данного метода, состоя­ щий в сильном захолаживании тонкой ниобиевой прослойки,, особенно при обжатии в валках, что приводит к снижению проч­ ности соединения и, как результат, к разрушению биметалла на границе ниобий—сплав ВТ6С.

Повышение температуры прокатки в вакууме биметалла ВТ6С — Х18Н10Т до 1100° С дает некоторый эффект, но приво­ дит к росту зерна в составляющей ВТ6С и нежелательному па­ дению ее пластичности. Поэтому более рационален следующий способ, который обеспечивает более высокую прочность и пла­ стичность биметалла ВТ6С—Х18Н10Т с двойной прослойкой из ниобия и бронзы и биметалла ВТ6С—Бр.Х08 с ниобиевой про­ слойкой. Прокатку проводят в два прохода, но при температуре