ПАКЕТ ДЛЯ ПРОКАТКИ ТОНКИХ ЛИСТОВ

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением, в частности к технологической оснастке, применяемой для изготовления тонких листов из прочных и высокопрочных сплавов, преимущественно на основе титана, методом горячей прокатки многослойных пакетов.
Титановые сплавы являются перспективными конструкционными материалами для различных отраслей промышленности. Широкое их применение связано с присущими титану и его сплавам комплексу свойств - высокой удельной прочности, коррозионной стойкости во многих агрессивных средах, сопротивлению усталостным нагрузкам, повышенной жаропрочности при температурах эксплуатации до 600°С. Одним из изделий повышенного спроса являются тонкие листы из труднодеформируемых титановых сплавов, характеризующихся низкой технологической пластичностью, высоким сопротивлением деформации, узким температурным интервалом обработки давлением, высокой чувствительностью к перегреву, активным взаимодействием с окружающей атмосферой. С ростом потребности в листовых материалах с повышенными свойствами в промышленности возникает потребность в усовершенствовании методов прокатки.
Вследствие повышенной склонности этих сплавов к упрочнению при холодной пластической деформации, сопровождающейся потерей пластичности, получение тонких листов холодной прокаткой затруднено, поэтому листы традиционно получают горячей прокаткой. Однако, горячая прокатка в обычных условиях возможна при наличии большого числа проходов и, соответственно, нагревов, что приводит к значительному окислению и газонасыщенности металла. При этом полистный способ не обеспечивает требуемое текстурное состояние, формирование которого осуществляется в узком температурном интервале.
Поэтому получение тонких листов производят пакетной прокаткой. Пакет собирается из нескольких листовых заготовок - подката титанового сплава, сверху и снизу закрывается металлическими крышками - обкладками, которые обвариваются между собой с помощью металлических стержней - вкладышей. Собранный таким образом пакет помещается в печь для нагрева, после чего он прокатывается за регламентированное количество проходов с промежуточными подогревами до заданной толщины. Тем не менее, применение пакетной прокатки сопряжено с определенными проблемами: появлением складок, образованием продольной и поперечной ребристости, в отдельных случаях возможен разрыв пакетов. Все это приводит к снижению качества листовой продукции и падению производительности.
Появление вышеописанных дефектов связано с неравномерностью деформации, возникающей при прокатке слоистого пакета, в частности различным сопротивлением деформации материала обкладок и листовых титановых заготовок. Сопротивление деформации является функцией термомеханических параметров: температуры, скорости и степени деформации, а также зависит от химической неоднородности, характерной для материала, используемого в качестве обкладок. В реальных процессах обработки давлением термомеханические параметры распределяются неравномерно по зоне деформации, что характеризует пластическую неоднородность. Для получения качественных листов необходимо стабилизировать эти параметры в очаге деформации.
Известен способ изготовления широких тонких листов, в котором применена конструкция пакета с обкладками и боковыми вкладышами из мягкой стали (патент США №3164884, МПК В21В 1/38, В23K 20/04, В21В 1/00, публ. 12.01.1965).
Пакет имеет значительную величину удельной теплоотдающей поверхности (т.е. поверхности, приходящейся на единицу объема). При этом лучистые потери тепла с поверхностей при температурах прокатки 900-950°С могут достигать до половины и более от общих потерь тепла пакета. Охлаждение верхней поверхности пакета при прокатке по отношению к нижней поверхности доминирует, т.к. часть излучаемого тепла, отражаясь от рольганга, возвращается в нижнюю поверхность пакета. Поэтому вследствие повышенной температуры и снижения сопротивления деформации нижней обкладки и связанным с этим увеличением ее вытяжки, передний конец пакета при одинаковых по толщине обкладках изгибает вверх, что делает последующую прокатку невозможной.
Известен пакет для прокатки листов, состоящий из двух стальных обкладок, между которыми размещены листовые заготовки из сплава на основе титана, причем по периметру обкладки между собой соединены приваренными к ним стальными вкладышами, толщина верхней обкладки составляет 0,40-0,55, а нижней 0,20-0,35 от толщины пакета (Патент РФ на полезную модель №172685, МПК В21В 3/00, публ. 19.07.2017).
В известном устройстве баланс тепловых потерь при различной толщине верхней и нижней становится равномерным, т.к. лучистые потери через верхнюю обкладку, компенсируются ее большей толщиной, а, следовательно, и большему сопротивлению теплопередачи. За счет большей толщины верхняя обкладка имеет больший момент инерции, который препятствует изгибу пакета. Однако при выборе материала обкладок в известном решении не учтен различный характер изменения сопротивления деформации титановых сплавов и углеродистых сталей. Достигая максимума при относительной степени деформации в интервале 10-20%, при дальнейшем повышении степени деформации сопротивление деформации титановых сплавов снижается, т.е. наблюдается деформационное разупрочнение. Напротив, сталь при увеличении степени деформации только упрочняется, а ее разупрочнение осуществляется только между проходами прокатки. При увеличении степени деформации более 20% сопротивление деформированию стали становится больше, чем сопротивление деформированию титанового сплава. Вытяжка титановых заготовок за проход превышает вытяжку стальных обкладок, в результате чего внутри пакета возникают волны, переходящие при дальнейшей прокатке в зажимы, складки. При этом возможен разрыв пакета, т.к. возникающие в очаге деформации усилия значительно превышают прочность сварного соединения пакета.
Таким образом, для расчета схемы обжатий необходима корректировка с учетом ограничения по степени деформации не более 20%, что приводит к увеличению количества проходов и промежуточных подогревов.
Известен способ изготовления особо тонких листов из высокопрочных титановых сплавов с использованием пакета, состоящего из, по крайней мере, одной секции, внутри которой размещают не более трех листов, при этом секции между собой разделены обкладками, аналогичными обкладкам пакета, выполненным из титановых сплавов с меньшим сопротивлением деформации, чем сплав заготовок, и с толщиной, обеспечивающей устойчивость формы сечения при прокатке (Патент РФ №2381297, МПК C22F 1/18, В21В 3/00, публ. 10.02.2010 - прототип).
В прототипе отсутствуют регламентированные требования к материалу титановых обкладок, что не позволяет применять их для изготовления тонких листов из труднодеформируемых сплавов с различным уровнем сопротивления деформации из-за неоднородности параметров обкладок и заготовок внутри пакета в очаге деформации. Кроме того, в известном решении не предусмотрено рациональное использование обкладок, которые после пакетной прокатки утилизируются в отходы.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание оптимальных термомеханических параметров при пакетной прокатке листов по всему сечению очага деформации.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении полезной модели, являются снижение температурного интервала прокатки, увеличение разовой степени деформации, уменьшение количества промежуточных подогревов, повышение производительности процесса прокатки.
Технический результат достигается тем, что в пакете для прокатки тонких листов из труднодеформируемых титановых сплавов, состоящем из двух листовых обкладок, между которыми размещены листовые заготовки из труднодеформируемого титанового сплава, причем по периметру обкладки между собой соединены приваренными к ним вкладышами, согласно полезной модели обкладки и вкладыши выполнены из титанового сплава, предел текучести которого в интервале температур горячей прокатки удовлетворяет следующему соотношению:
T1
T2
σ=0,3…0,5σ;
T1
где σ - предел текучести титанового сплава, из которого выполнены обкладки и вкладыши, МПа;
T2
σ - предел текучести труднодеформируемого титанового сплава, из которого выполнены заготовки, размещенные между обкладками, МПа.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Для стабилизации процесса прокатки необходимо обеспечить течение металла в обкладках, идентичное течению металла в прокатываемых заготовках из труднодеформируемого сплава. С учетом того, что теплопроводность обкладок из титановых сплавов в пять раз ниже, чем у стальных, появляется возможность снизить температурный интервал прокатки, увеличить разовые степени деформации, снизить количество промежуточных подогревов, существенно повысить производительность процесса прокатки. Материал титановых обкладок подбирается с учетом снижения температуры в процессе пакетной прокатки за счет излучения, конвекции и контакта с валками. В результате снижения температуры сопротивление деформации обкладок повышается, соответственно способность обкладок к вытяжке снижается. Снижение температуры заготовок внутри пакета незначительно происходит лишь за счет теплопередачи обкладкам и компенсируется деформационным разогревом. Чтобы обеспечить необходимую вытяжку обкладок, равную или превышающую вытяжку заготовок на определенную величину при прокатке пакета, необходимо для обкладок использовать сплав с регламентированным сопротивлением деформации, характеризующимся главным образом пределом текучести.
Экспериментальным путем при прокатке труднодеформируемых титановых сплавов пакетным способом с различными материалами обкладок из титанового сплава установлено следующее соотношение предела текучести материала обкладок и вкладышей от материала заготовок, размещенных между обкладками внутри пакета:
T1
T2
σ=0,3…0,5σ;
T1
где σ - предел текучести материала обкладок и вкладышей, выполненных из титанового сплава, МПа;
T2
σ - предел текучести материала заготовок из труднодеформируемого титанового сплава, размещенных между обкладками, МПа.
Это соотношение позволяет уравновесить вытяжки обкладок и заготовок, размещенных внутри пакета, тем самым стабилизируется процесс прокатки, повышается его устойчивость, не нарушая целостность пакета, что дает возможность снизить температурный интервал прокатки, увеличить разовые степени деформации, снизить количество промежуточных подогревов и существенно повысить производительность процесса прокатки. Современными методами прогнозирования и управления свойствами материала возможно создание и применение новых составов низкозатратных титановых сплавов, обладающих заданными конструкционными и технологическими свойствами.
Пример конкретного выполнения полезной модели.
Для получения тонких листов толщиной 1,27 мм из сплава Ti-6A1-4V был выплавлен слиток диаметром 740 мм с химическим составом, представленным в таблице 1. Температура полиморфного превращения сплава составила 980°С. Слиток был откован в сляб, который за несколько переходов был прокатан на заготовки для пакетной прокатки. Толщина заготовок после адъюстажной обработки составила 5,7 мм.
Предел текучести сплава Ti-6Al-4V при температуре 900°С составил 160 МПа. Для изготовления обкладок пакета листов сплава Ti-6Al-4V использовали сплав Ti-3Al-2,5V, предел текучести которого в интервале температур горячей прокатки составил 72 МПа, т.е. 0,45 от предела текучести заготовок из сплава Ti-6Al-4V.
В качестве заготовки для обкладок использован слиток сплава Ti-3Al-2,5V с химическим составом, представленным в таблице 2.
Из слитка был изготовлен сляб, далее выполнена прокатка сляба, адъюстажные операции. В результате чего для сборки пакетов были получены обкладки толщиной 14,3 мм. Затем заготовки и обкладки были разрезаны на заданный размер. Из материала, предназначенного для изготовления обкладок, также были вырезаны вкладыши толщиной 14,3 мм. Далее осуществлялась сборка пакетов. Пакеты толщиной 45,1 мм сформированы из верхней и нижней обкладок, листовых заготовок в количестве 4 штук, обкладки посредством сварки соединены по периметру вкладышами. Прокатка пакетов осуществлялась при 900°С без потери устойчивости на толщину 15 мм. После прокатки осуществлялась разборка пакетов. Полученные листы сплава Ti-6Al-4V были подвергнуты шлифовке на толщину 1,27 мм и отделочным операциям. Качество поверхности листов соответствовало всем требованиям нормативной документации, трещин и расслоений не зафиксировано. На листах после полного цикла шлифования и глубокого травления полностью отсутствовали дефекты (складки, поперечная и продольная ребристость листов, неравномерность листов по толщине). Результаты испытаний механических свойств листов сплава Ti-6Al-4V в состоянии поставки приведены в табл. 3.
Механические свойств листов толщиной 1,27 мм сплава Ti-6Al-4V соответствуют международным стандартам медицинского назначения.
Из обкладок сплава Ti-3Al-2,5V после пакетной прокатки была изготовлена фольга толщиной 0,08 мм. Результаты испытаний механических свойств фольги в состоянии поставки приведены в табл. 4.
Качество полученной фольги в полной мере удовлетворяет нормативной документации на поставку.
Таким образом, использование заявленной полезной модели позволяет оптимизировать термомеханические параметры пакетной прокатки, что дает возможность повысить эффективность получения тонких листов из трудно деформируемых титановых сплавов.