капланова

31

углеродистая сталь + алюминий, нержавеющая сталь + алюминий, сталь + серебро, сталь + никель, сталь + вольфрам, сталь + молибден). При этом получается прочное соединение по всей плоскости соприкосновения пластин; соединяемые поверхности очищаются от окисных пленок и различных загрязнений. Полученные описанным способом биметаллические заготовки могут подвергаться в дальнейшем холодной или горячей прокатке (при этом не требуется специального оборудования; взрывы производят в специальных металлических камерах из мягких углеродистых сталей для обеспечения безопасности

иуменьшения шума).

Контрольные вопросы:

Перечислите основные методы получения биметаллов.

В чем сущность литейного метода получения биметаллов? Укажите его преимущества и недостатки.

Назовите основные разновидности литейного метода получения биметаллов.

Сущность и схемы разновидностей литейного метода получения биметаллов.

Специальные методы получения биметаллов и их сущность.

32

5.ПОЛУЧЕНИЕ БИМЕТАЛЛОВ СОВМЕСТНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

Методы, основанные на принципах совместной пластической деформации, довольно широко распространены при производстве биметаллических изделий, главным образом в виде тонких и толстых листов, а также полос и лент. Кроме того, указанные методы применяются и для получения биметаллических прутков, проволоки и фасонных профилей.

В соответствии со сказанным выше существуют разнообразные способы получения биметаллов совместной пластической деформацией компонентов:

совместная горячая прокатка;

совместная холодная прокатка;

совместное волочение сердечника и оболочки;

совместное прессование двух и более металлов;

осадка составных пакетов;

прокатка полосы с нанесенным на нее слоем металлического порошка;

прокатка двух и более металлов или сплавов в виде порошка. Наиболее детально рассмотрим первые два из указанных выше

способов.

5.1 Получение биметаллов совместной горячей прокаткой

Этим способом получают в основном толстолистовые коррозионностойкие и износостойкие биметаллы. При этом исходной заготовкой служит так называемый пакет, т.е. составная заготовка, состоящая из двух и более неодинаковых по толщине слоев различных металлов или сплавов в виде слябов и пластин и подвергаемая после соответствующей подготовки прокатке. Следует отметить, что пакеты предварительно готовят таким образом, чтобы при их нагреве перед последующей пластической деформацией не произошло окисления соединяемых поверхностей, и, следовательно, было обеспечено качественное соединение. Для этого принимают различные меры: пакет по периметру герметизируют электросваркой, обертывают тонкими

33

листами кровельного железа, а также ведут прокатку в защитной атмосфере или вакууме (в качестве защитной атмосферы можно применять благородные газы, например, неон, криптон или аргон).

Для получения биметаллов рассматриваемым способом применяют различные конструкции составных пакетов:

двухслойные несимметричные, или одинарные пакеты (для получения одного двухслойного листа);

наиболее распространенные четырехслойные, или двойные симметричные пакеты (для получения двух двухслойных листов одинаковой толщины);

четырехслойные, или двойные несимметричные пакеты (для получения двух двухслойных листов различной толщины);

многослойные пакеты, например, семислойные, или тройные симметричные пакеты (для получения трех биметаллических листов, два из которых двухслойные и один трехслойный с расположением плакирующих слоев снаружи);

герметичные пакеты (для получения, например, биметаллического листа в сочетании сталь + титан);

крупногабаритные секционные пакеты (для получения, например, шести двухслойных коррозионностойких листов одинаковой

толщины).

Рассмотрим кратко конструкцию указанных нами разновидностей составных пакетов и некоторые вопросы технологического процесса их подготовки и последующей прокатки.

Конструкция одинарного пакета представлена на рисунке 5.1. Пакет составляют из углеродистого сляба 1 и более тонкой плиты 2 из коррозионностойкой стали. Соединяемые поверхности предварительно очищаются от окисной пленки при помощи механической очистки (строжки или фрезеровки), а также травления и выравниваются. Вокруг плиты плакирующего слоя помещают планки 3 из углеродистой стали такой же толщины как и плита, а сверху плиты помещают пластину 7 из углеродистой стали со специальным покрытием 8 (для предотвращения схватывания). Затем по периметру пакета производят электросварку герметичным швом 9. Кроме этого, в пакете предусмотрены промежутки 4, углубления 5 и зазор 6. Перед сваркой пакета эти углубления заполняются порошком, что способствует раскислению. После прокатки

34

пакет обрезают по периметру и удаляют крышку 7. Полученная таким образом прочность соединения слоев на срез составляет примерно 350 МПа (по стандарту требуется 130-150 МПа).

Рисунок 5.1 – Конструкция двухслойного несимметричного пакета

Конструкция четырехслойного симметричного пакета (смотрите рисунок 5.2) является, как указывалось выше, весьма распространенной на отечественных и зарубежных металлургических заводах, в частности, для производства коррозионностойких толстолистовых биметаллов.

Рисунок 5.2 – Конструкция симметричного четырехслойного пакета

Составными элементами рассматриваемого пакета являются: слябы основного слоя из углеродистой стали 1, планки для создания герметичности 2, пластины плакирующего слоя из нержавеющей стали 3, разделительный слой 4 (например, Al2O3) и сварные швы 5. При этом следует заметить, что подготовка слябов основного слоя заключается в их правке, механической обработке и обезжиривании одной из широких граней, а также промывке и сушке; при подготовке пластины плакирующего слоя на одну из широких ее граней для получения более качественного соединения предварительно наносится никелевое покрытие толщиной 40-100 мкм (в этом случае используются методы электролитического осаждения, газовой металлизации или напыления расплавленного никеля).

35

Одной из основных задач при подготовке четырехслойных симметричных пакетов является определение размеров (толщины, ширины и длины) составляющих их слоев.

Толщина слябов основного слоя определяется по соотношению:

где Нпак–общая толщина пакета, мм (выбирается с учетом необходимости обеспечения качественного соединения слоев); Нпл–толщина пластины плакирующего слоя, мм.

Следует заметить, что при заказе слябов основного слоя для изготовления рассматриваемых биметаллических пакетов также учитывается припуск на их предварительную механическую обработку (строжку или фрезеровку), т.е. Нсл=Нпак+(8÷10) мм. При этом ширина и длина слябов основного слоя, определяющие ширину и длину всего составного пакета, должны быть возможно большими (для снижения расхода металла) и обычно составляют соответственно 700-1200 мм и

1700-2500 мм.

Толщина пластины плакирующего слоя определяется строго теоретически (например, на основе режима деформации всего составного пакета рассчитывается абсолютное обжатие его плакирующего слоя в каждом из пропусков с учетом неравномерности деформации слоев) или по следующей эмпирической зависимости:

где k/ - коэффициент, учитывающий неравномерность деформации слоев; для случая прокатки двойных симметричных пакетов с сочетанием составляющих углеродистая сталь + нержавеющая сталь этот коэффициент близок к единице; а - отношение толщины плакирующего слоя к общей толщине готового листа, %.

Ширина и длина пластины плакирующего слоя находятся из следующих соотношений:

где B, L–ширина и длина слябов основного слоя, мм; d–ширина соединительных планок, мм;

δ–зазор, учитывающий разницу в коэффициентах линейного расширения металла основного и плакирующего слоев и косину реза пластины, мм;

k – величина катете сварного шва, мм.

Конструкция тройного симметричного пакета представлена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Конструкция тройного симметричного пакета: 1 – слябы основного слоя; 2 – пластины плакирующего слоя; 3 – соединительный слой; 4 – соединительные планки; 5 – сварные швы

Более сложная конструкция составных пакетов применяется для получения биметаллических листов с покрытиями из металлов или сплавов, которые в процессе нагрева сильно окисляются (например, титан).

Так при производстве биметаллических листов в сочетании сталь + титан может применяться герметичная конструкция составного пакета с обязательным помещением внутрь его пирофорного материала или с продувкой его нейтральным газом, например аргоном, для вытеснения кислорода воздуха. В качестве пирофорного материала используют церий или его сплавы, которые при нагреве сгорают, связывая тем самым кислород воздуха.

Радикальное решение вопроса о надежном соединении в процессе горячей прокатки легкоокисляющихся металлов достигается, если производить нагрев и последующую прокатку биметаллических пакетов

37

в вакууме. На рисунке 5.4 представлено поперечное сечение герметичного пакета для производства биметаллических листов в сочетании сталь + титан с использованием вакуума для повышения прочности соединения слоев.

Рисунок 5.4 – Поперечное сечение герметичного пакета для производства биметаллического листа в сочетании сталь + титан:

1 – патрубок вакуумного насоса; 2 – вакуумный канал; 3 – герметичный шов; 4 – слябы основного слоя; 5 – соединительный подслой; 6 – листы плакирующего слоя; 7 – разделительный подслой

Кроме рассмотренных выше методов повышения прочности соединения составляющих биметаллического пакета (применение пирофорного материала или вакуума, продувка нейтральным газом), используют также промежуточные слои в виде тончайших листов, которые не препятствуют схватыванию и в то же время служат диффузионным барьером между основным и плакирующим слоями. Таким образом, исключается возможность образования хрупких соединений на границе раздела слоев биметалла. В качестве промежуточного слоя может применяться, например, лист ванадия толщиной от 0,08 до 0,25 мм.

Также следует отметить еще один из возможных методов повышения прочности соединения слоев биметалла. Указанный метод используется в том случае, когда по условиям эксплуатации прокатного оборудования суммарная степень деформации составного пакета

38

недостаточна для обеспечения качественного сцепления его слоев, и заключается в осуществлении так называемой двукратной прокатки. При этом предварительно подготовленный пакет сначала прокатывается с небольшими обжатиями до некоторой промежуточной толщины, а затем полученный раскат вновь возвращается в печь, где выдерживается в течение определенного времени. В процессе выдержки между слоями происходит диффузия, а окисления их не происходит, т.к. слои плотно прилегают друг к другу. После выдержки промежуточного раската производится его повторная прокатка до окончательной толщины. Такая двукратная прокатка повышает прочность соединения слоев на 30-40% по сравнению с однократной.

На Коммунарском металлургическом заводе для получения толстых коррозионностойких листов применяют крупногабаритные секционные пакеты, схема одного из которых представлена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 – Конструкция секционного крупногабаритного пакета

Внутренняя полость пакета, как видно из рисунка 5.5, разделена на три секции (поэтому пакет и называется секционным), ограниченные друг от друга соединительными планками. В каждую из секций помещается по две пластины из нержавеющей стали. Такой пакет весом до 10 т затем нагревают в нагревательных колодцах слябинга до необходимой температуры и прокатывают. Полученный таким образом слябовый раскат разрезают на три четырехслойных симметричных сляба. При этом разрез ведут по разделительным планкам, вследствие чего указанные слябы остаются герметичными. В дальнейшем прокатка ведется на толстолистовом стане. После прокатки раскаты обрезаются по периметру, в результате чего получают шесть (по два с каждого раската) двухслойных коррозионностойких листов.

Рассмотрим теперь некоторые технологические особенности нагрева и последующей прокатки биметаллических слитков и пакетов.

39

Биметаллические слитки и пакеты прокатывают на существующих прокатных станах. Перед прокаткой их нагревают в колодцах, методических или камерных печах обычной конструкции по температурно-временным режимам, применяемым для слябов сталей плакирующего слоя. Причем для увеличения надежности соединения при нагреве избегают сильно окислительной атмосферы и слишком длительного нагрева. Для обеспечения равномерной деформации верхнего и нижнего слоя в симметричном двойном пакете при нагреве добиваются минимальной разности температур верха и низа пакета. Установлено, что наиболее рациональным при нагреве пакетов с плакирующим слоем из сталей Х18Н10Т и 0Х13 будет являться следующий режим: температура в сварочной зоне должна составлять 1300-1320 0С, а в томильной - 1260 0С. При этом следует принимать следующее распределение времени нагрева:

-методическая зона … 40%;

-сварочная зона … 30%;

-томильная … 30%.

Общее время нагрева при горячем посаде слябов-пакетов должно определяться из расчета 0,9-1,0 мин на 1 мм толщины.

Также следует отметить, что при нагреве двухслойных биметаллических слитков с плакирующим слоем из указанных сталей в колодцах обжимных станов максимальная температура печи должна составлять 1300-1320 0С. При этом при температуре 1300-1310 0С дают выдержку; для слитков массой 7 тонн она составляет около 1,5 часов, а для слитков массой 13 тонн 1,5-2,0 часа. Общая продолжительность нагрева зависит от температуры посада, но, как правило, составляет 4,5-5,0 часов. Во избежание появления трещин на кромках нержавеющей плиты слитки в ячейке колодцев располагают таким образом, чтобы сторона слитка с плакирующим слоем была обращена в сторону, противоположную стенке ячейки. В случае, когда плакирующий слой состоит из стали Х17Н13М2Т температуру нагрева в колодцах снижают до 1270-1280 0С; выдержка при этом возрастает до 3,0-3,5 часов.

Технология прокатки биметаллических пакетов имеет некоторые отличительные особенности. При прокатке биметаллических листов, особенно в начальной стадии, когда температура пакета достаточно

40

высока дают максимально возможные частные обжатия, определяемые условиями прочности рабочей клети. Чем выше температура и выше сила сжатия 2-х соединяемых поверхностей, тем прочнее получается соединение слоев в биметалле. Суммарная деформация для обеспечения достаточной прочности слоев зависит от свойств металлов. Например, при прокатке в производственных условиях крупногабаритных пакетов с плакирующим слоем из хромоникелевой стали прокатка должна быть не менее 5-7 и даже 10-ти кратной. Следует также отметить, что при разработке режима обжатий биметаллических пакетов следует учитывать влияние дробности деформации (количества проходов) на улучшение условий сцепления соединяемых поверхностей (смотрите 3-ий раздел курса).

Как показал опыт получения двухслойных листов, прокатка пакетов с разбивкой ширины увеличивает обрезь боковых кромок, что приводит к повышенному расходу металла по сравнению с прокаткой пакетов в одном направлении. Поэтому прокатку пакетов с разбивкой ширины производят лишь в том случае, когда длина пакетов меньше заданной ширины раската. Наиболее рациональной является прокатка поперек без кантовок, когда длина пакета является шириной раската.

Температура конца прокатки биметаллических пакетов находится в пределах 800-920 0С.

После прокатки раскаты правят на листоправильной машине горячей правки, после чего передают на термическую обработку. Двухслойные листы с плакирующим слоем из аустенитных сталей нормализуют в проходной или колпаковой печи при температуре 900-930 0С с выдержкой 2-3 мин на 1 мм толщины с охлаждением на воздухе. Двухслойные листы с плакирующим слоем из ферритных сталей подвергаются нормализации с последующим высоким отпуском при температуре 650-700 0С.

После т/о листы правят на отдельно стоящем правильном агрегате. После правки производится разделение раската на два односторонне плакированных листа путем обрезки углеродистого металла до появления нержавеющей стали. Причем величина обрези составляет примерно 150-250 мм на сторону, что зависит от схемы прокатки и конструкции пакета (ширины планок, припуска на сварной шов и т.д.). Боковые кромки обрезают на гильотинных или дисковых ножницах, а