СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИСТОВ ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СПЛАВОВ
MANUFACTURING METHOD OF HARDLY-DEFORMED MULTICOMPONENT ALLOYS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам изготовления листовых полуфабрикатов из многокомпонентных сплавов, применяемых в качестве высокотемпературных припоев для пайки металлов с целью получения высокопрочных и коррозионно-стойких соединений.
Требования к припоям достаточно жесткие и противоречивые, в частности, припой должен иметь температуру плавления, которая является достаточно высокой для обеспечения прочности, чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к металлическим частям, которые должны быть припаяны друг к другу. Материал должен быть совместимым и химически, и металлургически с основным металлом деталей, подвергаемых пайке. Припой широко применяется в виде листов или фольги толщиной от 1,5 мм до 0,05 мм. Поскольку при назначении припоя на первое место выходят требования по химическому составу и физическим свойствам, то вопрос технологичности при изготовлении полуфабрикатов из этих сплавов должен быть адаптирован к ним.
Известен сплав (припой), который содержит 9,5-16,5 ат.% хрома, 0-5 ат.% железа, 10-15 ат.% кремния, 6-7 ат.% бора, 0-5 ат.% молибдена, остальное никель и случайные примеси (Патент РФ №2167751, МПК В23К 35/30). Сплав имеет температуру плавления в пределах от 960°С до 1200°С, предпочтительно 1030°С-1130°С. Преимущества этого сплава заключаются в способности к пайке при приемлемо высоких температурах и к образованию соединения, которое можно использовать при повышенных температурах в условиях высокого напряжения, коррозионных сред и усталостных факторов без значительной потери механических свойств.
При изготовлении полуфабрикатов из подобного класса сплавов необходимо учитывать следующие их особенности:
- припои относятся к сложнолегированным, многокомпонентным системам, обычно состоящим из 4-6 элементов;
- содержание легирующих компонентов в сплаве обычно достаточно высокое и процент основного элемента может быть меньше 50%;
- композиции практически всегда имеют легкоплавкие составляющие (эвтектики и перитектики). Наличие легкоплавкой составляющей приводит к зональной ликвации исходного слитка (неоднородности химического состава по его сечению);
- практически все припои относятся к классу дисперсионно-твердеющих сплавов, т.е. при охлаждении твердого раствора до определенной температуры образуются две или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними - дисперсионные фазы (вторые фазы) и дисперсионная среда (метастабильный твердый матричный раствор). Выделение дисперсионной фазы способствует образованию во время прокатки трещин вследствие дополнительного изменения объема и понижения пластичности металла.
Известен способ получения проката из труднодеформируемых и тугоплавких металлов и сплавов, состоящий из ковки в вырезанных ромбических бойках с единичным обжатием, равным 40-70%, величиной относительной подачи 1,3-1,6 и последующей прокаткой (АС №732041, МПК В21В 3/00). Способ позволяет получить высококачественные крупногабаритные полосы и листы из различных труднодеформируемых металлов и сплавов. Данный способ не используется для обработки сплавов, относящихся к классу дисперсионно-твердеющих.
Известен способ обработки дисперсионно-твердеющих сплавов на основе никеля, включающий предварительную деформацию со степенью не менее 80% при температуре ниже температуры рекристаллизации и окончательную деформацию в условиях сверхпластичности, при этом проводят вторую стадию предварительной пластической деформации со степенями 25-95% в интервале температур от 1,0-1,2 температуры начала растворения фазы до эквикогезивной - температура равнопрочности границ и тел зерен (Патент РФ №2041284, МПК C22F 1/10). Способ позволяет получить материал со сверхпластическими свойствами.
Способ не применим для многокомпозиционных сплавов, в которых имеется значительное количество легкоплавких составляющих.
Известен способ изготовления тонких листов из высокопрочных титановых сплавов, включающий подготовку карточных заготовок, сборку пакета в стальном кейсе, нагрев и горячую прокатку пакета, термообработку, раскрой пакета и отделочные операции листов (Патент РФ №2243833, публ. 2005.01.10, МПК В21В 1/38). Прокатка ведется в условиях, близких к изотермическим.
Недостатком способа является образование краевых трещин при прокатке высокотемпературных припоев, состоящих из многокомпонентных сплавов, относящихся к классу дисперсионно-твердеющих и включающих легкоплавкие составляющие (опытные данные). Причиной этого является скопление крупных интерметаллидов, образовавшихся при литье, и наличие нерекристаллизованных зерен, заблокированных дисперсионным распадом. Особенно эти негативные факторы проявляют себя по краям прокатываемого листа из-за боковых растягивающих усилий.
Известен способ производства низкоуглеродистой листовой стали, включающий выплавку стали, горячую и холодную прокатку листа и отжиг (Патент РФ №2031962, МПК С21С 5/28, публ. 1995.03.27) - прототип.
Способ не применим для изготовления дисперсионно-твердеющих сплавов из-за образования краевых трещин при горячей прокатке.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является получение листовых полуфабрикатов высокотемпературных припоев, состоящих из многокомпонентных сплавов, относящихся к классу дисперсионно-твердеющих и включающих легкоплавкие составляющие.
Техническим результатом изобретения является предотвращение образования трещин в листовых полуфабрикатах высокотемпературных припоев при их изготовлении, а также повышение стабильности механических свойств и гомогенности припоя.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления листов из труднодеформируемых многокомпонентных сплавов, включающем выплавку сплава, литье слитков, горячую и холодную прокатку листа до заданных размеров, отжиг, сплав содержит основу и легирующие компоненты, включающие легкоплавкие составляющие и элементы, образующие дисперсионные упрочняющие фазы, горячую прокатку слитков производят с поверхностной окисной пленкой в кейсах в условиях стесненного уширения, а холодную прокатку ведут дробно с предварительной и промежуточными закалками, при этом горячую прокатку и промежуточные подогревы перед закалками производят в интервале температур ниже температуры плавления легкоплавкой составляющей и выше температуры растворения упрочняющих фаз.
Для получения гомогенного расплава слиток выплавляют в индукционных печах.
Для предотвращения выделения упрочняющих фаз слиток подвергают ускоренному охлаждению.
С целью уменьшения дефектов ликвационного и усадочного происхождения предпочтительная высота слитка должна не превышать 20-100 мм, а ширина 135-200 мм.
Горячую прокатку целесообразно проводить до толщины подката 4-6 мм, т.к. в этом случае не наблюдается сварка листов подката между собой.
Для компенсации боковых растягивающих усилий, возникающих в кромках между боковыми торцевыми поверхностями слитков и стенками кейса, устанавливаются металлические вкладыши из материала, с пределом текучести в диапазоне температур прокатки, равным 0,8-0,9 от предела текучести прокатываемого сплава.
Плавка припоя, с целью хорошего перемешивания компонентов, производится предпочтительно в индукционных печах известными способами, обеспечивающими хорошее перемешивание расплава. Слитки преимущественно подвергают быстрому охлаждению, что подавляет выделение упрочняющих фаз, сопровождающемуся большими объемными эффектами и, как следствие, растрескиванием слитков после литья. Готовые слитки подвергаются механической обработке. Затем поверхности слитков подвергают искусственному или естественному окислению до образования равномерной окисной пленки. Окисная пленка препятствует свариванию слитков между собой в процессе горячей прокатки. Слитки устанавливают в кейс. Горячая прокатка в кейсе создает условия, близкие к изотермическим. Структура температуры нагрева под горячую пакетную прокатку подбирается для каждого сплава индивидуально и должна соответствовать двум следующим условиям:
- температура должна быть выше температуры растворения упрочняющихся фаз;
- температура должна быть ниже температуры плавления легкоплавкого компонента расплава.
Горячая прокатка листов припоя производится в условиях стесненного уширения, при этом выравниваются напряжения прокатки по ширине, предупреждается образование краевых трещин и повышается качество кромок. Для этого конструкционно и технологически целесообразно между торцевыми поверхностями слитков и обкладками кейса устанавливать металлические вкладыши из материала с пределом текучести в диапазоне температур прокатки, равным 0,8-0,9 от предела текучести прокатываемого сплава.
Горячую прокатку предпочтительно вести до толщины подката 4-6 мм, это гарантирует не свариваемость листов между собой. В процессе горячей пакетной прокатки подкат получается гомогенный, с ярко выраженной механической текстурой, происходит заваривание литейных пор и дробление зерен сплава, повышается пластичность до уровня, необходимого для проведения холодной прокатки.
Припои катаются вхолодную до толщины подката, как правило, равной 1,5-0,05 мм. Прокатка осуществляется в зависимости от сплава с различной дробностью и различным количеством промежуточных закалок, определяемых опытным путем. Длительность промежуточного подогрева перед закалкой должна обеспечить прохождение процессов статической рекристаллизации при температуре выше температуры растворения упрочняющих фаз и ниже температуры плавления легкоплавкой составляющей. Последующая закалка необходима для предотвращения повторного выделения упрочняющих фаз.
Реализация предлагаемого способа обеспечивает возможность получения листового припоя толщиной менее 0,05 мм из труднодеформируемых многокомпонентных сплавов.
Для опробования данного изобретения использовался сплав ПЖК-35.
Химический состав сплава, массовая доля элементов, %:
Марганец - 34,0-37,0;
Хром - 17,0-20,0;
Бор - 0,1-0,2;
Кобальт - 8,0-10,0;
Никель - основа.
Примеси:
Железо <1,5;
Кремний <0,8.
±20
Плавка сплава производилась в индукционной тигельной печи ИСТ-016. Температура разливки слитков 1360°С. Полученные слитки механически обрабатывались до толщины 24 мм, покрывались известковым раствором, выдерживались на воздухе до высыхания для образования равномерной разделительной пленки, затем укладывались в один ряд в стальной кейс, состоящий из обкладок размерами H×B×L=16×650×450 мм, выполненных из стали марки Ст3. В кейс укладывали по 4 заготовки по ширине, по обеим сторонам закладывались вкладыши толщиной 20±2 мм титанового сплава, вырезанные по ширине по месту, для обеспечения бокового стеснения заготовок.
Нагрев кейсов перед прокаткой осуществлялся в электрических печах по режиму: установочная температура 980°С, выдержка 2,5 ч.
Прокатка производилась на прокатном стане с диаметром рабочих валков 750 мм с прерываниями и промежуточными подогревами кейсов при установочной температуре в печи 980°С с целью восстановления ресурса пластичности заготовок припоя в процессе прокатки по следующей схеме изменения толщины пакета (кейса):
Hi=56-45 мм, подогрев 15 мин
Hi=45-37 мм, подогрев 15 мин
Hi=37-31-29 мм, подогрев 15 мин
Hi=29-23-21 мм, подогрев 12 мин
Hi=21-16-14 мм, подогрев 10 мин
Hi=14-11,5 мм
После горячей прокатки кейсы вскрывали. На фото представлены заготовки после снятия верхних стальных обкладок с трех пакетов. Толщина заготовок составляла 5 мм. Трещины на боковых кромках заготовок в отличие от их поштучной прокатки на эту толщину без пакета отсутствовали.
Далее заготовки подвергли последующей закалке: установочная температура 1040°С, выдержка 90 мин, охлаждение в воде. Холодную прокатку проводили до толщины листа 0,08 мм с промежуточными рекристаллизационными отжигами и закалками.
Сплав указанного выше состава не исчерпывает назначения описываемого способа, данная технология может быть использована для получения листовых полуфабрикатов высокотемпературных припоев, состоящих из многокомпонентных сплавов, относящихся к классу дисперсионно-твердеющих и включающих легкоплавкие составляющие компоненты. Способ позволяет получать широкую номенклатуру изделий со стабильными механическими и химическими свойствами.