СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ЗАГОТОВОК ИЗ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ IV И V ГРУПП ИЛИ СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ
PREPARATION METHOD OF SURFACE OF WORKPIECES FROM CHEMICALLY TREATED HIGH-MELTING METALS OF GROUPS IV AND V OR ALLOYS ON THEIR BASIS FOR HOT DEFORMATION

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для обеспечения защиты поверхностей слитков или заготовок из химически активных тугоплавких металлов IV и V групп и сплавов на их основе от окисления и газонасыщения при нагреве под горячую пластическую деформацию и/или уменьшения силы трения при горячей пластической деформации слитков.
Такие металлы активно взаимодействуют с кислородом воздуха при нагреве более 200°C. В результате газонасыщения и окисления металл поверхностного слоя теряет пластичность, не выдерживает напряжений и является источником растрескивания заготовок при последующей горячей пластической деформации, кроме того, слой окислов на поверхности заготовок значительно повышает силы трения между инструментом и заготовкой, например, при прессовании.
Известен способ защиты поверхности слитков из сплавов титана перед технологическим нагревом до ковочной температуры (1100-1300°C) стеклокерамическим покрытием типа ЭВТ 100 K (С.Солнцев. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие элементы. М. Машиностроение, 1984, с.139). Получаемое покрытие имеет низкую прочность сцепления с основой металла и склонность к скалыванию при транспортных операциях и при контакте с подом печи. В результате до 40% поверхности слитка оказывается незащищенной.
Известен метод химического никелирования (патент №3339271, США). Толщина получаемого покрытия составляет (10-12) мкм, покрытие выдерживает горячее деформирование вместе с металлом при температурах (900-1000)°C и не отслаивается. Однако такой способ энергоемок и предусматривает использование дорогостоящего материала (никеля). Кроме того, при использовании этого способа вопросы регенерации и утилизации отходов требуют дополнительных больших затрат. Для промышленного применения слой никеля имеет недостаточную толщину и стойкость к механическим повреждениям и не обладает антифрикционными свойствами.
Известен способ нанесения алюминиевого покрытия для защиты поверхности слитков из сплава титана от газонасыщения, разработанный институтом "Прометей" совместно с АО "Ижорские заводы" на основе патента США №3584368, в котором производят алитирование слитков путем погружения в расплав алюминия (660°C). Метод получил развитие путем изменения технологии нанесения алюминиевого покрытия. Разработан и освоен метод электродугового нанесения алюминия с применением серийных металлизаторов типа ЭМ 12-67, ЭМ-14 (Технологическая инструкция №320-76 "Металлизация (шоопирование) поверхности слитков и слябов типа 3В и 17. - Л.: АО "Ижорские заводы", 1976, с.3-4). Известный способ предназначен для защиты поверхности слитков типа 3В и 17 перед технологическим нагревом под горячую прокатку. Многослойное покрытие толщиной (0,4-0,5) мм формируют за 3-4 прохода металлизатора. При нагреве обеспечивают превышение скорости создания интерметаллидного слоя по отношению к скорости окисления, что возможно за счет высокой начальной температуры в печи (более 1000°C). Недостатком известного способа является многослойность наносимого покрытия, что приводит к возникновению напряжений в покрытии, его разрушению, падению защитных свойств и повышению трения при горячей прокатке.
Известен способ защиты слитков титана от газонасыщения перед операцией технологического нагрева под горячую деформацию (патент RU №2145981), включающий подготовку поверхности слитка и нанесение на нее металлического покрытия из алюминия методом электродугового напыления толщиной (0,1-0,3) мм с пористостью (6-8)% и прочностью сцепления не менее (30-50) МПа. Известный способ обеспечивает качественную защиту сплавов титана от окисления и газонасыщения при печном нагреве до температуры 1300°C в течение 5 часов. Способ позволяет повысить выход в годное за счет уменьшения толщины газонасыщенного слоя, а также выполнять несколько технологических нагревов.
Известный способ не обеспечивает качественную защиту заготовок от окисления и газонасыщения в случае использования скоростного нагрева заготовок из тугоплавких химически активных металлов и сплавов в индукционных печах с шаговым перемещением заготовок по направляющим индуктора, что обусловлено низкой температурой плавления алюминия (660°C) и его малой механической прочностью при высокой температуре. При нагреве заготовок в индукторе до температуры выше температуры плавления алюминия скорость окисления последнего и скорость диффузионного образования интерметаллидного слоя ниже скорости нагрева и все тепловыделение локализовано в поверхностном слое, отвод тепла идет в слой алюминия, что приводит к его оплавлению. При проталкивании заготовок по направляющим индуктора покрытие разрушается и не обеспечивает защиту заготовок от окисления и газонасыщения и антифрикционные функции. При последующем выдавливании на прессе происходит налипание прессуемого металла на инструмент, что приводит к образованию дефектов на прессуемом изделии. Алюминиевое покрытие также не может выполнять функцию подсмазочного для снижения силы трения, т.к. образующаяся при нагреве окись алюминия и интерметаллидный слой являются абразивом и изнашивают контактирующую поверхность матриц и валков.
Известен способ нанесения технологического медного защитного и подсмазочного покрытия на заготовки из сплава на основе циркония электрохимическим способом (А.С.Займовский, А.В.Никулина, Н.Г.Решетников. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М. Энергоатомиздат, 1994, с.63) - прототип изобретения. Способ хорошо освоен в производстве циркониевых труб для атомной промышленности, в значительной степени механизирован и автоматизирован, имеет большой опыт использования. Однако при применении способа для других химически активных металлов, например ниобия, титана, тантала и сплавов на их основе, он не обеспечивает необходимое качество покрытия. Способ связан с использованием кислот и оказывает вредное воздействие на человека и окружающую среду. Применение медного покрытия возможно, если температура нагрева под горячую деформацию не будет достигать температуры образования эвтектики или температуры плавления меди, что ограничивает применение способа для обработки тугоплавких химически активных металлов и сплавов. Способ ограничен по габаритам и формам обрабатываемых изделий, т.к. увеличение обрабатываемой площади выше определенной критической или сложная форма изделия требует создания специализированных установок.
Задачей, которая решается изобретением, является: повышение надежности покрытия поверхностей заготовок из тугоплавких химически активных металлов IV, V групп и сплавов на их основе от окисления и газонасыщения при нагреве под горячую пластическую деформацию за счет повышения адгезии покрытия при высоких температурах и уменьшение силы трения при горячей пластической деформации, т.е. получение защитно-подсмазочных покрытий, унификация для различных способов нагрева (печи сопротивления или индукционные) и различных тугоплавких химически активных металлов IV, V групп и сплавов на их основе.
a
Указанный технический результат достигается тем, что в способе подготовки поверхности заготовки из химически активных тугоплавких металлов IV и V групп или сплавов на их основе для горячей деформации, включающей механическую обработку поверхности заготовки и нанесение на нее электродуговым напылением металлического покрытия, механическую обработку осуществляют путем очистки и дробеструйной обработки, в качестве металлического покрытия наносят покрытие из меди, или железа, или чередующихся слоев меди и железа, обеспечивая отсутствие расплавления материала покрытия и образование эвтектики между материалом покрытия и материалом заготовки при температуре нагрева заготовки при последующей горячей деформации, при этом формируют покрытие с шероховатостью наружного слоя 10≤R≤80.
При нанесении покрытия из меди или железа его предпочтительно формировать с плотностью напыляемого металла, составляющей:
м.т
м.п
м.т
0,85d≤d≤d
м.т
где d - теоретическая плотность напыляемого металла,
м.п
d - фактическая плотность металла покрытия.
Выбор материала покрытия, наносимого электродуговым напылением, при отсутствии расплавления металлического покрытия и образования им эвтектики с металлом слитка или заготовки при температуре нагрева или горячей деформации и обеспечении установленных триботехнических характеристик осуществляют следующим образом. Например, необходимо прессовать пруток из циркония или сплава цирконий - 1% ниобия при температуре (700-750)°C. Нагрев заготовки осуществляется в индукционной печи в течение (30-40) минут. Нагрев и прессование незащищенной заготовки приводят к выбраковыванию прутков по трещинам. Поэтому заготовка должна быть защищена от окисления и газонасыщения, одновременно покрытие должно обеспечивать снижение трения при выдавливании прутка. Покрытие железом может быть нанесено и обеспечит защиту при нагреве, такое покрытие привлекательно как с точки зрения экономики, так и с точки зрения экологии, однако оно не соответствует установленным триботехническим характеристикам. Может быть применено комбинированное покрытие: первый слой железо, второй слой медь. Такое покрытие обеспечит защиту и подсмазочные функции, однако при этом усложняется переработка дорогостоящих отходов циркония и снижается производительность труда. Температура плавления меди выше температуры нагрева и горячего деформирования, при нагреве до необходимой температуры медь не образует эвтектик с цирконием и не оплавится, что гарантирует защиту, а также служит подсмазочным покрытием, т.к. имеет высокие триботехнические характеристики.
На примере горячего проката гафния. Необходимая температура нагрева 1050°C. Металлизация медью не обеспечит качественной защиты, т.к. медь образует с гафнием эвтектику уже при 970°C. В этом случае осуществляют многослойное покрытие: первый слой железо, т.к. железо не образует эвтектик с гафнием до температуры 1300°C, а последующий слой - медь, так как медь имеет более высокие триботехнические характеристики.
При ковке сплава НТ-47 (сплав ниобия с титаном) медное покрытие не обеспечит качественной защиты при нагреве до температуры 1200°C, так как температура плавления меди 1083°C, двухслойное покрытие (железо + медь) не имеет преимуществ, т.к. не требуются высокие триботехнические характеристики при ковке. В этом случае в качестве материала покрытия используют железо.
Заявляемая шероховатость наружного слоя покрытия обеспечивает оптимальное сцепление смазки с покрытием и достигается режимом электродугового напыления. При более грубой поверхности напыления возрастает пористость покрытия, при снижении шероховатости снижается сцепление смазки с покрытием.
Заявляемая плотность металла покрытия обеспечивает оптимальную адгезию покрытия с основой.
Пример 1
нар.
вн.
a
3
Штатную трубную заготовку из сплава циркония с ниобием марки Э 110 с размерами ⌀109 × ⌀ 28,5 мм, L=190 мм подвергали предварительной очистке и развитию поверхности дробеструйной обработкой стальной колотой дробью. На подготовленную поверхность заготовки наносили слой меди толщиной (40-70) мкм, распыляя медную проволоку ⌀ 1,6 мм марки Мооб с использованием ручного электродугового металлизатора марки ЭМ-14М. Толщину напыленного слоя контролировали измерением размеров до и после нанесения слоя. Плотность покрытия определяли прямым взвешиванием контрольных образцов, плотность металла покрытия составляла (8,2-8,35) г/см. Шероховатость замеряли на профилометре PERTHOMETR S4P. Шероховатость составляла R=32,9 мкм.
Заготовку с покрытием обмазывали смазкой НПК и сушили при комнатной температуре в течение 24 часов. Заготовку нагревали в индукционной проходной печи до температуры (700-750)°C и прессовали на прессе усилием 1500 тонн в трубу ⌀ 45×27,7 мм, L=1600 мм. В качестве материала покрытия использована медь для того, чтобы покрытие выполняло функцию защитного и подсмазочного и одновременно не образовывало эвтектики при нагреве до температуры прессования.
Качество полученной трубы не отличалось от качества труб, выдавленных с применением гальванического покрытия медью.
Пример 2
a
3
Заготовку из сплава НТ-47 (Nb + 47% Ti), ⌀ 85 мм, L=250 мм, ковали при температуре T=1050°C в пруток ⌀ 22 мм. Медь образует эвтектику с титаном уже при температуре 827°C, поэтому не годится в качестве защитного покрытия. В этом случае оправдано применение железа, температура образования эвтектики (Ti + 30% Fe) составляет 1085°C, что выше на 35°C температуры нагрева заготовок. На заготовку электродуговой металлизацией нанесли покрытие из железа с использованием проволоки марки Св-08А диаметром ⌀ 1,6 мм. Шероховатость покрытия составляла R=38,4 мкм. Плотность металла покрытия составляла 6,98 г/см. Заготовка прошла цикл нагрева до температуры 1050°C и прокована в пруток ⌀ 22 мм. По результатам металлографических исследований газонасыщенный слой составил (5-10) мкм. Окисный слой сплава НТ-47 отсутствовал. При нагреве заготовки без защиты газонасыщенный слой совместно с окисным составлял (1000-2000) мкм, что приводило к потерям металла при механической обработке вследствие вынужденного увеличенного технологического припуска. Напыленный электродуговой металлизацией слой составил (50-100) мкм, при нагреве и ковке слой не разрушился и выдержал 2 цикла ковки с промежуточным нагревом. Из прутка были изготовлены кондиционные стержни для последующего применения в составных сборках для сверхпроводящих материалов.
Пример 3
a
3
На лист из иодидного гафния толщиной 6 мм электродуговой металлизацией с применением металлизатора ЭМ-14М и проволоки ⌀ 1,6 мм марок Св-08А и M1 нанесли последовательно железное покрытие толщиной (50-100) мкм, а затем медное толщиной (50-100) мкм. Шероховатость медного покрытия составляла R=(32,2-36,0) мкм, плотность составляла 7,7 г/см. На поверхность подготовленного листа нанесли препарат НПК и сушили 24 часа на воздухе. Лист нагревали до температуры 1050°C в течение 20 минут. Нагретый лист прокатали на листовом стане до толщины 1,6 мм с одним промежуточным подогревом. Лист после прокатки имел хорошую поверхность, толщина газонасыщенного слоя составляла ≤5 мкм. Таким образом, покрытие чередующимися слоями железа и меди обеспечило качественные защитные и антифрикционные свойства подсмазочного покрытия. Покрытие непосредственно из меди не может быть использовано, т.к. температура образования эвтектики медь + гафний составляет 970°C, что ниже необходимой температуры нагрева заготовки. Покрытие из железа не обеспечивает требуемых триботехнических свойств.
Использование предлагаемого способа в сравнении с известным позволяет расширить область его применения как по рабочим температурам и процессам обработки, так и по обрабатываемым металлам и сплавам.