капланова

11

Указанный вид проката в большинстве случаев в качестве основного слоя имеет углеродистую или низколегированную сталь (например, Ст2, Ст3, 15, 20, 09Г2, 20МХ и др.), а в качестве плакирующего – коррозионностойкую сталь различных марок, медные и никелевые сплавы (например, монель-металл – сплав никеля с 30% меди, обладающий высокими антикоррозионными свойствами), медь, никель, титан, алюминий и некоторые другие металлы и сплавы. Основной характеристикой коррозионностойкого биметаллического листового проката является его устойчивость против коррозии в различных агрессивных средах (например, коррозионностойкий биметалл с плакирующим слоем из никеля устойчив против коррозии в атмосфере, воде, щелочах и ряде кислот). Прокатываемые коррозионностойкие биметаллические листы толщиной 4-160 мм, шириной до 2400 мм и толщиной плакирующего слоя 5-25% находят широкое применение в химическом машиностроении, судостроении, пищевой промышленности и других областях.

Антифрикционные биметаллы толщиной 2,2-6,2 мм, получаемые холодной прокаткой, широко применяются при изготовлении вкладышей подшипников и представляют собой стальные узкие ленты (ширина 215245 мм), покрытые антифрикционными сплавами на основе алюминия (например, сплавы АО20-1 и АН2,5). Толщина плакирующего слоя составляет 25-45%.

Инструментальные и износостойкие биметаллы применяются,

прежде всего, для изготовления разнообразного режущего инструмента. В этом случае основной слой представляет собой углеродистую сталь, обладающую высокой вязкостью, а плакирующий (режущая часть) – легированную инструментальную сталь или твердый сплав (например, Х, 9ХС, 9ХФ, Р12, Р6М3, ВК2, ВК4 и др.). Толщина прокатываемых в настоящее время листов 2,5-20,0 мм, ширина 200-600 мм, толщина плакирующего слоя около 30%. Примером износостойкого биметаллического проката является 3х-слойный лист, выпускаемый толщиной 5, 6, 7 мм и шириной 380-400, 1100 мм, характеризующийся симметричным расположением составляющих его слоев и широко применяемый в сельскохозяйственной промышленности. Следует также отметить, что различная износостойкость слоев рассматриваемой группы биметаллов позволяет получить такое ценнейшее

12

эксплуатационное свойство как самозатачивание их в процессе функционирования.

Проводниковые биметаллы производятся в виде проволоки, полос и лент и находят широкое применение в электротехнической промышленности. В них используется сочетание металлов с различной электропроводностью, причем более электропроводный металл располагается на поверхности изделия, а его основой служит менее электропроводный металл или же сталь. В качестве проводниковых биметаллов широко применяется проволока с сочетанием составляющих сталь + медь, сталь + алюминий, сталь + никель и др. В промышленности также используется холоднокатаная стальная лента с двухсторонним покрытием никелем или алюминием, имеющая следующие размеры: толщина 0,1-0,5 мм, ширина 80-100 мм, толщина плакирующего слоя от 8 до 12 % на сторону.

Термобиметаллы состоят из двух слоев металлов или сплавов с различными коэффициентами линейного расширения, что приводит к их изгибу в процессе нагрева. Термобиметаллы обозначаются заглавными буквами ТБ, выпускаются в виде лент толщиной 0,1-2,5 мм, шириной 10250 мм с соотношением толщин слоев 1:1 и находят применение в разнообразных аппаратах и приборах (например, реле).

Термобиметаллы могут иметь различные количественные характеристики в зависимости от условий их эксплуатации. Если нагревание термобиметаллического элемента происходит окружающей средой, то основной его количественной характеристикой является величина изгиба при нагреве на 1 оС, называемая термоактивностью. Если же указанный элемент нагревается проходящим через него электрическим током, то его количественной характеристикой является

удельное электросопротивление.

При испытании термобиметаллов определяют такие показатели как

коэффициент чувствительности и удельный изгиб.

Коэффициент чувствительности определяется по результатам нагрева термобиметаллических образцов спиралевидной формы (спиралей) с использованием следующего выражения:

13

где γ – отклонение конца спирали или угол раскручивания, о; S – толщина образца, мм;

l – расчетная длина образца, мм;

t – разность температур испытания, оС.

Удельный изгиб определяют по результатам нагрева плоских термобиметаллических образцов, один из концов которых защемлен, а другой свободен, исходя из такой формулы:

где f – стрела прогиба (отклонение свободного конца образца от начального положения), мм;

h – толщина образца, мм;

l – расчетная длина образца, мм;

t – разность температур испытания, оС.

Из формулы (2.2) видно, что удельный изгиб представляет собой абсолютное отклонение от начального положения свободного конца плоского термобиметаллического образца толщиной и длиной 1 и 100 мм соответственно при нагреве его на 1оС.

Контрольные вопросы:

Перечислите основные группы биметаллов.

Краткая характеристика основных групп биметаллов и областей их применения.

Назовите количественные характеристики термобиметаллов. В каких случаях используется каждая из указанных характеристик?

Расчетное определение коэффициента чувствительности и удельного изгиба термобиметаллических элементов.

14

3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИМЕТАЛЛОВ

В основе процессов получения биметаллов лежит так называемое явление схватывания металлов. Под схватыванием понимается соединение поверхностей двух одноименных или разноименных металлов с образованием металлических связей.

При сближении идеально чистых и гладких металлических

поверхностей на расстояние около 10 – 102 АО металлические связи возникают вследствие образования общего электронного облака, которое в равной степени взаимодействует с ионизированными атомами обеих поверхностей. При этом граница раздела исчезает и прочность получившегося соединения равна прочности самого металла. В реальных условиях при сближении металлических поверхностей процесс схватывания усложняется наличием на них неровностей и пленок окислов.

Существуют разные точки зрения на механизм схватывания поверхностей металлов, отражающие отдельные стороны этого процесса. В соответствии со сказанным выделяются следующие основные гипотезы схватывания:

а) «пленочная» гипотеза, в соответствии с которой определяющее влияние на процесс схватывания оказывают свойства поверхностных пленок. Например, с увеличением относительной твердости и толщины поверхностных пленок создаются более благоприятные условия для схватывания;

На рисунке 3.1 показаны зависимости деформации схватывания от относительной твердости поверхностного слоя и толщины пленки.

а)б) Рисунок 3.1 – Зависимость деформации схватывания от толщины

(а) и относительной твердости пленки (б)

15

б) «рекристаллизационная» гипотеза, основанная на предпо-

ложении о том, что для прочного соединения контактирующих поверхностей металлов, кристаллическая решетка которых искаженна, необходимо прохождение процесса рекристаллизации с образованием новых, общих для соединяемых поверхностей кристаллов;

в) «диффузионная» гипотеза, согласно которой схватывание происходит благодаря диффузии атомов соединяемых металлических поверхностей независимо от того, происходит соединение при комнатной или высокой температурах;

г) «энергетическая» гипотеза, согласно которой сближение чистых металлических поверхностей с различно ориентированными кристаллами на расстояние порядка параметра решетки является недостаточным для образования металлических связей. Присоединение атомов одной поверхности к атомам другой возможно лишь при одинаковой ориентировке кристаллов. Для этого необходимо, чтобы энергия атомов приближалась к энергетическому порогу схватывания.

На способность металлов к схватыванию существенное влияние оказывают химический состав соединяемых металлов или сплавов, состояние контактных поверхностей, величина относительного и суммарного обжатия, а также температура. Рассмотрим кратко влияние названных факторов.

а) Химический состав соединяемых металлов или сплавов.

Чистые одноименные металлы, обладающие повышенной пластичностью и пониженным сопротивлением деформации, проявляют большую способность к схватыванию. Введение примесей, образующих твердый раствор, повышает величину деформации схватывания. Например, относительные деформации, необходимые для схватывания гомогенных двухкомпонентных сплавов меди, содержащих 5,18 и 17,5% цинка, составляют 65,3 и 74,2% соответственно.

Способность двух разноименных металлов к схватыванию определяется способностью к этому более легко схватывающего металла. Например, схватывание листовых образцов алюминия происходит при деформации 55,5%, образцов меди – при 73,7%, а схватывание меди с алюминием – при деформации 55%.

16

Влияние на процесс схватывания пластических и прочностных характеристик соединяемых металлов наиболее существенно при комнатных температурах (например, при холодной совместной пластической деформации).

При высоких температурах зависимость схватывания от химического состава может объясняться изменением свойств поверхностных пленок, а также способностью разноименных металлов к образованию различного рода соединений в граничной зоне. Например, в случае взаимной растворимости соединяемых в твердом состоянии при высоких температурах металлов прочность сцепления слоев будет определятся свойствами образующихся в граничной зоне эвтектик или твердых растворов. При увеличении содержания легирующих элементов может возрастать термическая стойкость окислов, что приводит к снижению способности к схватыванию.

б) Состояние контактных поверхностей.

Под состоянием поверхности понимается ее макро- и микрогеометрия, а также наличие окислов, масляных и других адсорбированных пленок и загрязнений.

Практикой производства различных видов биметаллов установлено, что для получения качественного соединения необходимо, чтобы контактные поверхности были гладкими, без каких-либо неровностей, способствующих сохранению загрязнений воздуха и влаги. Устранение отдельных дефектов на контактных поверхностях производится наждачной зачисткой. В других случаях производится строжка всей поверхности заготовки.

Всякое загрязнение контактной поверхности приводит к появлению расслоя. Экспериментально установлено, что наихудшее влияние на качество соединения оказывают масляные пленки и окись хрома. Наличие печной окалины и ржавчины, т.е. окислов железа, также способствую появлению расслоений, но в меньшей степени, чем масло и окись хрома.

в) Величина обжатия.

В результате исследования влияния относительного обжатия на сопротивление отрыву при горячей прокатке биметаллических заготовок установлено, что с увеличением обжатия прочность соединения слоев возрастает и при определенной степени деформации достигает

17

прочности металла одного из слоев. Из практики производства биметаллов также известно, что дробность деформации оказывает существенное влияние на прочность соединения слоев. Однако, это влияние неоднозначно. Например, если прокатывается пакет с мягкими и достаточно толстыми слоями снаружи, то увеличение числа проходов способствует охлаждению этих слоев, а, следовательно, выравниванию прочностных характеристик и деформаций и увеличению сцепления. Если же снаружи металла находятся слои с более высоким сопротивлением деформации, то увеличение дробности деформации может привести к нарушению сцепления.

Влияние величины обжатия на прочность схватывания слоев биметалла показано на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Влияние суммарной деформации при горячей прокатке биметалла Ст3+12Х18Н10Т (1), Ст3+ никель (2), Ст3+монель (3), Ст3+медь (4) на прочность соединения слоев (при испытаниях на срез)

Влияние увеличения обжатия на качество сцепления может быть объяснено следующим:

более интенсивным разрушением окисных пленок;

деформацией поверхностных неровностей и, следовательно, увеличением истинной площади контакта поверхностей;

уменьшением разницы в обжатиях отдельных слоев, что исключает возможность их относительного проскальзывания и разрушения уже образовавшихся участков сцепления.

19

На неравномерность деформации слоев биметалла оказывают влияние следующие факторы:

а) различие в способности отдельных слоев к пластической деформации; экспериментально доказано, что чем выше отмеченное различие, тем меньше отношение деформации твердого слоя, обладающего большим сопротивлением деформированию, к деформации мягкого слоя, т.е. деформация твердого слоя падает, а мягкого возрастает; при этом в процессе прокатки возможны изгиб полосы и сползание плакирующих слоев;

б) соотношение толщин слоев; повышение доли твердой составляющей в общей толщине биметаллической полосы приводит к выравниванию деформации слоев;

в) трение между слоями; чем больше величина, характеризующая трение между слоями, тем меньше неравномерность их деформации;

г) величина суммарного обжатия полосы и показатель геометрической формы деформационной зоны по толщине (lд/hср); при возрастании указанных показателей увеличивается прочность сцепления слоев вследствие снижения неравномерности их деформации (последнее можно объяснить, например, увеличением трения между слоями и, следовательно, значения дополнительных напряжений: сжимающих в мягком слое и растягивающих в твердом, которые и способствуют последующему выравниванию деформации слоев);

д) расположение слоев в прокатываемой биметаллической заготовке; наиболее равномерная деформация наблюдается в трех и четырехслойных заготовках, имеющих мягкие слои снаружи, менее равномерная в заготовках с твердыми слоями снаружи; это можно объяснить влиянием контактного трения.

Для расчета абсолютного обжатия слоев биметалла существуют различные методики, основанные на обработке экспериментальных данных или применении аналитических приемов (например, использование закона частных обжатий при выводе формулы Павлова). Т. к. экспериментальные методы имеют узкую область применения, то более целесообразным является, например, универсальный теоретический метод определения абсолютного обжатия слоев

20

биметалла, основанный на вариационных принципах теории обработки металлов давлением.

Рассмотрение вопроса, связанного с определением энергосиловых параметров при прокатке биметаллической заготовки, также является достаточно важным. На основании анализа результатов опытов, проведенных различными исследователями, можно сказать, что:

а) величина среднего сопротивления деформации при прокатке биметалла занимает промежуточное положение между величинами среднего сопротивления деформации при прокатке его составляющих;

б) зависимость среднего сопротивления деформации биметалла от относительного обжатия и температуры прокатки имеет такой же характер, как и при прокатке однородного металла (т.е. с увеличением обжатия и снижением температуры повышается);

в) на величину среднего сопротивления деформации биметалла также оказывают влияние прочность сцепления слоев и силы трения между ними, а также соотношение толщин слоев; при снижении прочности слоев и сил трения между ними сопротивление деформации снижается; с возрастанием доли твердой составляющей сопротивление деформации биметалла возрастает.

Для расчета среднего сопротивления деформации при прокатке биметаллов можно выделить три группы методов (методы расположены в порядке увеличения точности получаемых результатов):

а) метод расчета давления металла на валки по формулам теории прокатки, полученным для случая деформации однородного металла, с подстановкой в них средне пропорционального истинного сопротивления деформации (истинного предела текучести);

б) метод расчета среднего сопротивления деформации как средне пропорциональной величины между значениями среднего сопротивления деформации составляющих биметалл компонентов (дает наиболее точные результаты при прокатке трехслойных полос);

в) метод расчета среднего сопротивления деформации биметалла на основе использования вариационных принципов теории обработки металлов давлением.

В заключение отметим, что при одинаковых прочностных характеристиках компонентов биметалла расчет контактного давления можно вести по одному из компонентов.