HomeОбработка стали › Получение биметаллов с особыми свойствами

Получение биметаллов с особыми свойствами

Получение биметаллов с особыми свойствамиВ последние годы в различных отраслях народного хозяйства находят широкое применение биметаллические материалы, обладающие особыми эксплуатационными свойствами. В настоящее время выпуск биметаллических материалов широко освоен промышленностью. Однако потребность в них все более возрастает, и это особенно относится к новым видам биметаллов из тугоплавких металлов и их сплавов в сочетании с различными сталями и цветными металлами.

 

Биметаллы применяют во многих отраслях промышленности и особенно в химической, нефтеперерабатывающей, судостроении, автотракторостроении, в новой технике.

Главным требованием, предъявляемым к биметаллам, является обеспечение прочности и пластичности соединения, его сплошности и стабильности свойств по всей поверхности контакта. В настоящей главе рассмотрены только некоторые вопросы получения биметаллов методом прокатки в вакууме.

 

При получении биметаллических материалов между соединяемыми разнородными металлами протекают сложные физико-химические процессы, приводящие к образованию переходной зоны. Состав, состояние и протяженность переходной зоны оказывают решающее влияние на свойства биметалла. Однако процесс соединения разнородных металлов изучен недостаточно.

 

Отсутствует единая теория, объясняющая сущность процесса соединения, являющегося основой получения биметаллов, нет еще полного представления о количественной зависимости прочности схватывания от химического состава соединяемых металлов и различных технологических факторов, которые могут изменяться в очень широких пределах.

Общепризнано, что пластическая деформация оказывает весьма благоприятное влияние на соединение составляющих биметалла. При этом с увеличением деформации (до определенного предела) растет и прочность соединения.

 

Влияние пластической деформации проявляется прежде всего в разрушении, разобщении и удалении окисных и адсорбированных пленок, что способствует образованию чистых от окислов участков, вступающих в непосредственный контакт. В процессе пластической деформации обеспечивается также тесный контакт поверхностей, т. е. сближение поверхностных атомов на расстояния, соизмеримые с параметром кристаллической решетки.  Имеются, однако, указания, что после сближения поверхностей на определенные расстояния необходима дополнительная деформация для того, чтобы произошло соединение.

 

При получении биметаллов методом прокатки часто наблюдается неравномерная высотная деформация, сопровождающаяся сдвигом одного компонента относительно другого. Полагают, что в первоначальной стадии неравномерная деформация влияет положительно, так как облегчает сцепление (соединение), удаляя и разобщая поверхностные пленки, однако с появлением чистых (ювенильных) поверхностей продолжающийся сдвиг оказывает отрицательное влияние, так как разрушает образующиеся мостики схватывания.

 

При высокотемпературной пластической деформации образующиеся на поверхности металлов окислы и нитриды затрудняют, а в ряде случаев исключают возможность получения биметаллов высокого качества. Особенно это относится к биметаллам с составляющими из тугоплавких и химически активных металлов, обладающих высокой реакционной способностью.

 

Применение различных способов защита (обмазки, покрытия, оболочки и др.) во многих случаях не обеспечивает получения биметаллов требуемого качества.

Наиболее эффективным методом защиты от окисления и воздействия газов является применение вакуума при нагреве, деформации и охлаждении биметаллов.

 

Прочность соединения составляющих биметаллов проверяется обычно испытанием на отрыв, на срез или на изгиб. Для установления границ переходной зоны биметаллов определяют микротвердость на поперечных шлифах в трех параллельных рядах в направлении, перпендикулярном линии раздела.

 

Наиболее прочное соединение составляющих биметаллов А-Б и А-В получено при прокатке в вакууме 6,65 мн/м2 (5-Ю-5 мм рт. ст.). Нагрев и прокатка в условиях низких парциальных давлений активных газов приводят к уменьшению или полному исключению взаимодействия металлов с газами (окисление, газонасыщение).

 

Поэтому создается возможность образования чистых поверхностей контакта составляющих, что обеспечивает лучшие условия для получения прочного соединения по сравнению с другими способами защиты контактных поверхностей. Опыты показали (рис. 126), что биметалл А-Б при прокатке в вакууме 6,65 мн/м2 (5- Ю-5 мм рт. ст.) и температуре 700° С имеет прочность соединения 180-200 Мн/м2 (18- 20 кГ/см2) уже при обжатии на 5%. При увеличении обжатия до 20% прочность соединения достигает .400 Мн/м2 (40 кГ/мм2)I (разрушение происходит по составляющей Б); дальнейшее повышение степени деформации практически не оказывает влияния на прочность соединения.

 

При прокатке биметалла А-Г (температура 1070° С) максимальная прочность 627 Мн/м2 (62,7 кГ/мм2) достигалась при 20-25% обжатия пакета. Прочность соединения биметалла А-Д при прокатке с обжатием 20% (температура 1070° С) становится выше прочности составляющей Д, и при дальнейшем повышении обжатия это соотношение сохраняется.

Прокатка биметаллов в вакууме обеспечивает высокую прочность соединения составляющих при значительно меньших обжатиях (в 2-3 раза) по сравнению с прокаткой в обычных условиях, с меньшими усилиями деформации и расходом энергии.

 

Изучение прочности биметалла А-Б, прокатанного при различных температурах с постоянным обжатием на 30%, показало следующее. При температуре нагрева 400° С и прокатке с обжатием 30% соединение составляющих не происходит. При 700°С и е =30% получено аСц =400 Мн/м2 (40 кГ/мм2).

 

Повышение температуры от 700 до 800°С вызывает снижение прочности соединения с 398 до 331 Мн/м2 (с 39,8 до 33,1 кГ/мм2), что можно объяснить увеличением размеров зерен с ростом температуры. При нагреве до 850-870°С возникает эвтектика, которая после затвердевания образует соединение, обладающее высокой твердостью, что отрицательно сказывается на качестве изделий.

 

Для исключения указанного явления применяются температуры нагрева биметаллов А-Б и А-В ниже температур образования эвтектики.

В отличие от предыдущего случая прочность соединения при прокатке биметалла А-Г с одинаковым обжатием 8=25% с повышением температуры от 970 до 1070° С увеличивается почти в четыре раза. Это обусловлено тем, что в переходной зоне не образуется легкоплавких эвтектик и хрупких интерметаллидов, поскольку основные элементы находятся в виде твердых растворов.

 

Основной показатель, характеризующий качество биметалла- прочность соединения, зависит от свойств переходной зоны, которая в свою очередь зависит от многих факторов, в том числе химического состава металлов, среды, усилий деформации, температуры и др. Как указывалось выше, эти свойства существенно изменяются при получении биметалла А-Б, прочность которого лимитируется прочностью переходной зоны.

 

Микроструктурный анализ образцов биметалла А-Б не показал наличие диффузионной зоны. Не дало однозначного вывода об изменении газового состава приконтактной зоны и измерение микротвердости с применением соответствующих методов.

 

Однако спектральный анализ поверхностей раздела показал, что после растворения \»составляющей на поверхности пластины А имеется медь, а на поверхности Б — титан.

Проведенные рентгеноструктурные исследования с послойным анализом показали наличие трех фаз: Ti3Cu, TiCu и ЛСиз. Однако протяженность слоя интерметаллидов была настолько мала при выбранных оптимальных режимах, что она не снизила прочности и пластичности переходной зоны биметалла.

 

Изменения микротвердости составляющих биметалла А-Г в переходной зоне (рис. 127) показывают наличие диффузионного слоя, который в данном случае не ограничивает прочность сцепления составляющих. Проведенные испытания показали высокую коррозионную стойкость биметалла, находившегося в течение двух лет в агрессивной среде. У биметалла А-Б пос-. ле четырнадцати месяцев выдержки в агрессивной среде началось разрушение составляющей Б, т. е. коррозионная стойкость биметалла А-Б определяется коррозионной стойкостью составляющей Б.

 

Вакуум оказывает существенное влияние на изменение удельных давлений при прокатке биметаллов. Установлено, что при переходе от атмосферы воздуха к вакууму (биметаллы А-Б и А-В) удельные давления интенсивно возрастают.

 

Это можно объяснить, по-видимому, изменением свойств металлов, ужесточением схемы напряженного состояния под влиянием сил трения, которое усугубляется совместным действием ряда факторов (неравномерностью деформации, силами межслойного трения, скоростью охлаждения металла в очаге деформации и др.). Так, при прокатке в вакууме 1,33 н/м2 (10~2 мм рт. ст.) при температуре 700° С и обжатии на 20% удельное давление составляло 340 Мн/м2 (34 кГ/мм ), а в вакууме 6,65 мн/м2 (5• Ю-5 мм рт. ст.) 430 Мн/м2 (43 кГ/мм), т. е. увеличилось на 26%.

 

Помимо среды, на энергосиловые параметры процесса прокатки биметаллов в вакууме оказывают влияние многие другие факторы: степень деформации, температура, соотношение исходных толщин составляющих, неравномерность деформации, состояние поверхностей контакта, наличие подслоя, сопротивление деформации составляющих и др.

 

Изменение крутящих моментов и полного давления с увеличением обжатия аналогично изменению удельных давлений. Увеличение обжатия биметалла А-Г с 18 до 46% увеличивает крутящий момент на мягкой составляющей (А) с 0,4 до 3,2 кн-м (40 до 320 кГ-м). Температура прокатки при этом составляла 1070° С.

 

Для биметалла А-Д (температура прокатки 1050°С) увеличение обжатия с 33 до 50% приводит к увеличению крутящего момента на мягкой составляющей (А) с 2,8 до 6,1 кн-м (с 280 до 610 кГ-м). Существенное влияние на энергосиловые параметры оказывает температура прокатки, вызывая понижение удельных давлений и крутящих моментов.

 

Повышение температуры прокатки биметаллов А-Б, А-В в вакууме 6,65 мн/м2 (5-10~5 мм рт. ст.) с 700 до 800° С при обжатии на 20% приводит к уменьшению удельного давления с 430 до 340 Мн/м2 (с 43 до 34 кГ/мм2), а в вакууме 1,33 н/м2 (10~2 мм рт.ст.) — с 330 до 270 Мн/м2 (с 33 кГ/мм2 до 27 кГ/мм2) соответственно. Подобно отмеченному изменяются крутящие моменты в зависимости от изменения температуры прокатки.

 

Рассмотренные частные примеры получения биметаллов методом прокатки в вакууме с анализом влияния условий прокатки на изменение показателей процесса и свойств биметалла в основном отражают общие закономерности, характерные для других биметаллов, получаемых указанным методом.

 

Следует, однако, отметить, что на практике применяются различные методы получения биметаллов — прокатка на воздухе при высоких температурах, холодная прокатка, деформация с использованием энергии взрыва и др., имеющие свои особенности, отличные от приведенных выше.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.