Способ изготовления слоистого материала

Способ изготовления слоистого материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области обработки металлов, а именно: к способам изготовления многослойных материалов.

Для создания новых машин и аппаратов, интенсификации технологических процессов необходимы материалы с повышенными антикоррозионными и прочностными свойствами. К числу таких материалов относятся плакированные материалы, состоящие из двух и более сплавов металлов или сталей (биметаллы, триметаллы, многослойные металлы).

Биметаллы отличаются от многослойных материалов тем, что у биметаллических материалов между слоями существуют металлические межатомные связи, а у многослойных материалов таких связей нет.

Известен способ изготовления многослойного материала, согласно которому заготовку из металлического сплава подвергают холодной обработке давлением и осуществляют ее пластическую деформацию (см. В.А.Горохов «Обработка деталей пластическим деформированием», «Техника», г.Киев, 1978, с.3).

При использовании указанного способа происходит поверхностная пластическая деформация заготовки специальным инструментом в виде стальных шаров или роликов. Пластическая деформация поверхности металлической заготовки приводит к растягиванию нижележащих слоев металла. Из-за малой толщины поверхностного слоя (19-23 мкм) и незначительной степени деформации удлинение внутренних слоев очень невелико. Тем не менее за счет наклепа поверхностного слоя повышаются механические свойства и увеличивается твердость металлического сплава в 1,2-1,3 раза.

Однако вышеприведенный способ поверхностной пластической деформации создает значительные внутренние напряжения в поверхностных слоях металлической заготовки и делает ее непригодной для изготовления конструкций, работающих в агрессивных средах. К тому же после термической обработки или сварки эффект от поверхностной пластической деформации полностью пропадает.

Наиболее близким к предложенному является способ изготовления слоистого материла, заключающегося в том, что заготовку из металлического сплава подвергают холодной обработке давлением и осуществляют ее пластическую деформацию (см. М.И.Чепурко и др. «Биметаллические трубы», «Машиностроение», М., 1974 г., с.с.7-20, 98-112).

Данный способ используют для изготовления биметаллической трубы из двух труб, выполненных из разных сортов стали, одну из которых вставляют в другую и подвергают совместной пластической деформации путем прокатки. Этот способ обеспечивает улучшение качества соединения заготовок, выполненных из разных сталей или сплавов, и, тем самым, позволяет расширить область применения, сортамент и назначение изготовленных из них изделий.

Тем не менее указанный способ изготовления слоистых материалов также обладает рядом существенных недостатков. Во-первых, очень трудоемок процесс подготовки сопрягаемых поверхностей двух заготовок. Во-вторых, несмотря на самую тщательную подготовку сопрягаемых поверхностей надежность соединения заготовок в монолитное изделие невысока из-за расслоений, несплавлений и т.д. В-третьих, при сварке образуются, так называемые, пограничные зоны, из-за которых происходит перерасход металла. В-четвертых, к перерасходу металла также приводит удаление «припуска» металла из-за окисления его поверхности под воздействием окружающей среды. В-пятых, при соединении разных сплавов металлов или сталей образуются электрохимические пары и, как следствие этого, катастрофически быстрое разрушение полученной с помощью этого способа продукции.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в повышении деформационной способности и стойкости применяемых в промышленности материалов к коррозионному и усталостному разрушению.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что применяют способ изготовления слоистого материала, заключающийся в том, что заготовку из металлического сплава подвергают холодной обработке давлением и осуществляют ее пластическую деформацию, при этом используют заготовку из низколегированного двухкомпонентного сплава и обеспечивают деформацию заготовки со степенью обжатия не менее чем 80% и с коэффициентом вытяжки не менее 5, кроме того, потому что после прекращения деформации заготовку подвергают термической обработке и обработку заготовки проводят в направлении от большого ее сечения к меньшему, а также, потому что заготовку насыщают водородом перед холодной обработкой давлением и/или в процессе холодной обработки давлением и/или перед термической обработкой и/или в процессе термической обработки, и, кроме того, потому что в качестве заготовки используют кабельную заготовку с магнезиальной изоляцией.

Пример №1 выполнения способа.

Берут трубную заготовку из двухкомпонетного низколегированного сплава циркония, например, Э-110 [ цирконий (Zr) - 98%, ниобий (Nb) - 1%, остальное - меньше 1%. ТУ 95 2594/96 от 23.01.96. Трубы из циркониевых сплавов для тепловыделяющих элементов (твэл)], диаметром 12,0 мм с толщиной стенки 1,0 мм и подвергают ее холодной обработке давлением, например, холодной периодической прокатке с подачей 0,2 мм, до размера 5,0×0,45 мм, что соответствует степени обжатия, равной 82,6%, и коэффициенту вытяжки, равному 5. При прокатке возникают деформации растяжения и сдвига, которые приводят к тому, что в более глубоко расположенных слоях (объемах) заготовки возникают растягивающие усилия. За счет растягивающих усилий происходит измельчение кристаллической структуры металла, и по толщине заготовки образуется механическая неоднородность, вследствие которой возникают направленные диффузионные потоки легирующих элементов и встречные им потоки вакансий, вызывающие изменение химического состава и «расслоение» легирующих элементов в заготовке.

При прокатке, как и при других способах деформации, металл заготовки становится неоднородным, т.е. в объеме металла образуются отдельные зоны, отличающиеся внутренней энергией и различной концентрацией дислокации и вакансий. Диффузионные процессы перераспределения легирующих элементов в заготовке можно усилить, если подвергнуть заготовку после прекращения деформации термической обработке. Например, чтобы активизировать процесс "расслоения" легирующих элементов, после деформации заготовки из сплава Э-110 проводят ее отжиг с медленным нагревом со скоростью 3-4°/мин до температуры 600°С в печи при вакууме не ниже 1×10^-5 мм рт.ст. Выдерживают заготовку при этой температуре в течение 6 часов, после чего охлаждают со скоростью 2-3°/мин.

Кроме того, величину степени обжатия, которая определяется соотношением, возникающих при обжатии радиальной и осевой деформациях заготовки (в нашем примере - деформаций сдвига и растяжения соответственно) можно увеличить (или сохранить прежней при более низких прикладываемых усилиях), если проводить обработку заготовки в направлении от большего ее поперечного сечения к меньшему, т.к. в этом случае повышается радиальная деформация (в нашем примере - деформация сдвига).

Для уменьшения прикладываемых нагрузок и "облегчения" перераспределения легирующих элементов сплав Э-110 насыщают водородом, который, в данном случае, выполняет роль пластификатора и катализатора. При этом насыщение заготовки водородом проводят перед холодной обработкой давлением или в процессе холодной деформации, а также - перед или в процессе отжига, т.е. насыщение металла заготовки водородом полезно на любой стадии создания слоистого материала.

Металлографическое исследование шлифов (см.фиг.1 и 3), вырезанных из изделия, полученного по заявленному способу, показало наличие в его поперечном и продольном сечениях светлой, равномерной, концентрически расположенной, слаботравящейся прослойки металла, занимающей, примерно, одну треть толщины стенки изделия. Микрорентгеноспектральный анализ металла изделия показал, что содержание ниобия во внутреннем слое снизилось с 1% до 0,1-0,2%, а в крайних слоях, наоборот, повысилось до 1.5% (см.фиг.2 и 4). Механические испытания образцов, вырезанных из внутреннего продольного слоя, показали, что прочность металла в нем, по сравнению с основным металлом трубы (Zr), снизилась с 55-57 кг/мм² до 45-47 кг/мм². В тоже время пластичность (относительное удлинение и относительное сужение) увеличилась в 1,5-2 раза, что соответствует характеристикам чистого циркония. Кроме того, в результате экспериментов, проведенных над слоистым материалом, полученным по заявленному способу, было обнаружено, что он обладает ценными электрическими свойствами: электропроводность в направлении от наружных слоев к внутреннему (и наоборот) меняется вдвое. Эти данные позволяют сделать вывод, что произошло существенное изменение структуры и свойств сплава Э-110.

Внутренний слой у изделия имеет четкие границы и надежную металлическую связь с прилегающими слоями, которые также, как и свойства сплава Э-110 в целом, сохраняются и при последующем переделе заготовки на меньшие размеры.

С помощью предлагаемого способа изготавливают трехслойный материал (триметалл) с металлическими межатомными связями между слоями (по типу биметаллов).

Пример №2.

Собирают кабельную заготовку. Для этого в оболочку из сплава циркония с 1% ниобия, размером 9,0×0,7 мм, длиной 1000 мм вставляют две термоэлектродные жилы из сплавов хромель и алюмель, диаметром 1,1 мм, насыпают магнезиальную изоляцию и герметизируют концы оболочки с помощью сварки. Затем проводят холодную периодическую прокатку и деформируют кабельную заготовку до размера 4,0×0,35 мм, что соответствует степени обжатия 80,2% и вытяжке с коэффициентом 5,0.

После деформации заготовку отжигают в вакуумной печи и одновременно при этом обеспечивают ее насыщение водородом, источником которого является гигроскопичная магнезиальная изоляция. В результате получают кабельную заготовку с трехслойной оболочкой и толщиной внутреннего (промежуточного) слоя ˜ 0,12 мм.

Пример №3.

Собирают кабельную заготовку с двойной оболочкой. Для этого берут кабельную заготовку, состоящую из оболочки из сплава циркония с 1% ниобия диаметром 11 мм, в которой установлены термоэлектродные жилы, отделенные друг от друга и оболочки магнезиальной изоляцией, и устанавливают ее в трубу из того же сплава размером 13,0×0,75 мм. Заваривают концы трубы и подвергают ее холодной прокатке. Деформируют трубу до размера 5,0×0,4 мм, что соответствует степени обжатия 85% и коэффициенту вытяжки - 5,1. После деформации проводят отжиг, как в примере 1.

Металлографические исследования и микрорентгеноспектральный анализ показал наличие трех поперечных слоев (с толщиной промежуточного слоя ˜ 0,13 мм) в обеих оболочках изделия.

Многослойный материал, полученный по заявляемому способу, был использован для изготовления оболочки кабеля диаметром 0,5 мм с термопарными жилами и магнезиальной изоляцией, и продемонстрировал высокую деформационную способность. Многослойность оболочки кабеля также обеспечила повышение усталостной прочности кабеля при циклическом нагружении в несколько раз, благодаря более равномерному перераспределению напряжений. Кроме того, произошло резкое снижение развития трещин коррозионного происхождения в оболочке кабеля, т.к. их рост тормозится на границе слоев. Немаловажным является и то обстоятельство, что граница между слоями служит барьером для диффузии примесей и газов, ухудшающих свойства сплава металлов.

Таким образом, при использовании предлагаемого изобретения повышаются деформационная способность и стойкость применяемых в промышленности материалов к коррозионному и усталостному разрушению.

1. Способ изготовления слоистого материала, заключающийся в том, что заготовку из металлического сплава подвергают холодной обработке давлением и осуществляют ее пластическую деформацию, отличающийся тем, что используют заготовку из низколегированного двухкомпонентного сплава и обеспечивают деформацию заготовки со степенью обжатия не менее чем 80% и с коэффициентом вытяжки не менее 5.

2. Способ изготовления слоистого материала по п.1, отличающийся тем, что после прекращения деформации заготовку подвергают термической обработке.

3. Способ изготовления слоистого материала по п.1, отличающийся тем, что обработку заготовки проводят в направлении от большого ее сечения к меньшему.

4. Способ изготовления слоистого материала по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что заготовку насыщают водородом перед холодной обработкой давлением, и/или в процессе холодной обработки давлением, и/или перед термической обработкой, и/или в процессе термической обработки.

5. Способ изготовления слоистого материала по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве заготовки используют кабельную заготовку с магнезиальной изоляцией.