Особенности получения и разрушения биметалла из инструментальных и высокопрочных сталей, полученного комбинированием методов сварки взрывом и горячей пакетной прокатки

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ БИМЕТАЛЛА ИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ И ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ, ПОЛУЧЕННОГО КОМБИНИРОВАНИЕМ МЕТОДОВ СВАРКИ ВЗРЫВОМ И ГОРЯЧЕЙ ПАКЕТНОЙ ПРОКАТКИ

© Т.А Шишкин, О.Л. Первухина, П.А. Николаенко

Ключевые слова: сварка взрывом; прокатка; биметалл; плакирование; сталь; структура; прочность.

Проведенные исследования показали, что комбинированная технология сварки взрывом и горячей пакетной прокатки позволяет получать биметалл с высокими прочностными свойствами и бездефектной структурой соединения.

Износостойкие биметаллы соединяют в одном материале высокую износостойкость плакирующего слоя и конструкционную прочность основного слоя. Высокой износостойкостью обладают стали и сплавы с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов, закаленные на максимальную твердость, и они являются перспективными для использования в качестве плакирующего слоя. В качестве основного слоя используются конструкционные углеродистые или низколегированные высокопрочные стали, применяемые для изготовления брони. Однако износостойкие материалы в отожженном состоянии или состоянии поставки отличаются повышенной твердостью, низкой ударной вязкостью, склонностью к образованию трещин при деформации, чувствительностью к концентраторам напряжений, плохо свариваемыми традиционными методами сварки давлением и плавлением. В связи с этим затруднено получение многослойных материалов с качественной границей раздела между основным и плакирующим слоями традиционными методами прокатки и наплавки, а также сваркой взрывом [1].

В частности, в процессе сварки взрывом инструментальных сталей типа У8, 9ХС, Р6М5, Х6Ф1 толщиной более 8 мм рекомендуется сварку взрывом производить с подогревом до температуры перехода стали в пластичное состояние, что требует принятия специальных мер защиты заряда взрывчатого вещества [2]. Производство износостойкого биметалла пакетным способом затруднено из-за узкого интервала горячей деформации сталей с высоким содержанием углерода и трудностью получения прочного соединения между плакирующим и основным слоем, кроме того, затруднено изготовление пакетов из-за образования закалочных структур и трещин в процессе электро-дуговой сварки [3].

Для изготовления биметалла с плакирующим слоем из износостойких инструментальных сталей и основой из углеродистых и низколегированных сталей был создан комбинированный способ: сварка взрывом + горячая пакетная прокатка. Сваркой взрывом на поверхность основной стали, и поверхность стали плакирующего слоя наносится тонкий слой малоуглеродистой стали. Затем из полученных двухслойных заготовок

собирается пакет так, чтобы при горячей прокатке пакета соединение происходило между слоями из малоуглеродистой стали. Наличие на поверхности инструментальной стали слоя малоуглеродистой стали позволяет при сборке пакета произвести надежную его герметизацию электродуговой сваркой. По описанной технологии была изготовлена опытная партия листов марки У8А + Ст3 + 45ХН2МФА толщиной 4,5 и 6,5 мм.

Цель работы: исследовать структуру и свойства многослойного металла, полученного по комбинированной технологии на всех этапах изготовления (сварки взрывом, прокатки и термообработки) методами ультразвукового контроля сплошности соединения (УЗК), оптической микроскопии, определения прочности соединения слоев, на отрыв и изгиб, микротвердости в зоне соединения.

Методом УЗК нарушений сплошности в соединениях, полученных сваркой взрывом, и трещин в лицевом и тыльном слое не выявлено. После пакетной прокатки в раскатах выявлены зоны несплошности по периметру заготовок шириной 20-40 мм между слоями из малоуглеродистой стали, которые были удалены при обрезке листов в заданный размер.

Исследование макроструктуры соединений, полученных сваркой взрывом, не выявило дефектов сплошности соединения слоев, изменение толщины плакирующего слоя. Структура соединения после сварки взрывом имеет характерную для этого метода волнообразную форму с шагом волн 0,5-0,8 мм, практически без литых включений. Микротвердость в зоне, прилегающей к сварному шву, в Ст3 составила 150НУ, в У8А - 400 НУ, в 45ХСНМФА - 450НУ.

Для исследования качества изготовления пакета из него вырезали образцы, на которых изучили изменение микротвердости в зоне сварного шва, и установили, что выбранный режим сварки и технология не приводят к повышению твердости в лицевом слое.

После горячей пакетной прокатки зона соединения Ст3 + Ст3 имеет прямолинейный характер без дефектов сплошности (рис. 1), микротвердость в этой зоне составляет 150 НУ. В соединениях между сталью Ст3 + + У8А и Ст3 + 45ХН2МФА выявлена обезуглерожен-ная зона в стали Ст3, после закалки эта зона незначительно увеличилась.

1897

Рис. 1. Зона соединения биметалла

Для испытания прочности соединения слоев образцы отбирали из двухслойных заготовок после сварки взрывом и из листов после прокатки и отжига. Испытания показали, что сварка взрывом обеспечивает прочное соединение на отрыв 300-350 МПа по всей поверхности. При испытаниях на изгиб малоуглеродистой сталью наружу, внутрь и боковой изгиб на угол 120° не выявлено трещин и расслоений в зоне соединения. Из-за малой толщины плакирующего слоя в листах после прокатки испытания на отрыв плакирующего слоя не проводили. Испытания на изгиб лицевым слоем наружу, внутрь и боковой изгиб на угол 120° не выявлено трещин и расслоений в зоне соединения.

После закалки оценку прочности соединения слоев проводили по наличию или отсутствию расслоений после динамических испытаний на пробой. Эти испытания показали, что в случае пробоя не наблюдается образование «пробки» и расслоений в биметалле. Кинетически процесс сводится к проколу преграды с дополнительным поглощением энергии за счет разделения слоев преграды, изгиба и «вытягивания» тыльного слоя бронелиста. В случае пробоя только лицевого слоя происходит расслоение в соединениях стали Ст3. Исследование поверхности разрушения показало, что 57 % поверхности отрыва приходится на соединение слоев стали Ст3 со сталью Ст3, полученное при пакетной прокатке (рис. 2), 30 % по соединению Ст3 + У8А и 13 % по соединению Ст3 + 45ХН2МФА, полученных сваркой взрывом.

Исследования структуры в зоне воздействия ударника на многослойный бронелист показали, что меняется характер распространения трещин, образующихся при воздействии ударника на твердый лицевой слой из инструментальной стали. Трещины из лицевого слоя не распространяются в тыльный слой, большая часть их «вязнет» в мягкой прослойке стали Ст3. Таким образом, использование многослойного материала с пластичной прослойкой приводит к изменению механизма пробивания и делает его более энергозатратным.

Рис. 2. Поверхность разрушения биметалла при пробое лицевого слоя

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комбинированная технология (сварка взрывом + горячая пакетная прокатка) обеспечивает получение биметалла с высокими прочностными свойствами и бездефектной структурой соединения и может быть рекомендована для производства износостойкого и броневого биметалла. Комбинированный метод изготовления биметалла позволяет получать износостойкие материалы для инструмента и изготовления рабочих органов почвообрабатывающих машин, экскаваторов и других горнодобывающих машин от абразивного и ударно абразивного износа, а также для получения высокопрочной защиты бронетехники и личного состава.

ЛИТЕРАТУРА

1. Конон Ю.А., Первухин Л.Б., Чудновский А.Д. Сварка взрывом. М.: Машиностроение, 1987. 216 с.

2. Первухин Л.Б., Первухина О.Л., Рихтер Д.В. Развитие технологии и производства биметалла сваркой взрывом в России // Технология машиностроения. 2009. № 9. С. 5-11.

3. Голованенко С.А. Сварка прокаткой биметаллов. М.: Металлургия, 1977. 160 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке программы отделения химии наук о материалах РАН «Создание новых металлических, керамических, стекло-, полимерных и композиционных материалов».

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Shishkin T.A., Pervukhina O.L., Nikolayenko P.A. FEATURES OF PRODUCTION AND DESTRUCTION OF INSTRUMENTAL AND DUCTILE STEEL BIMETALS PRODUCED BY EXPLOSION WELDING AND HOT ROLLING BATCH COMBINING

The researchers showed the combined technology of explosive welding and hot rolling batch produces bimetal with high strength properties and defect-free structure of the compound.

Key words: explosive welding; rolling; bimetal cladding; steel; structure; strength.

1898