СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF METALLIC AND COMPOSITE BLANKS MANUFACTURE FROM SHEET MATERIALS

Предлагаемое изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к комбинированным способам обработки листовых металлов, касается способа изготовления металлических и композиционных заготовок из листовых материалов, которые могут найти применение в машиностроении.
Известен способ изготовления полых цилиндрических обечаек (SU 1512739, кл. B23K 20/00, опубл. 07.10.89 г.), включающий получение многослойной заготовки навивкой полосы толщиной не менее 2 мм, закрепление начала и конца полосы сваркой, нагрев заготовки и ее раскатку. Способ обеспечивает повышение качества обечаек диаметром, превышающим 2000 мм, за счет увеличения жесткости стенки, толщины внутреннего и наружною слоя, придающей устойчивость заготовки при раскатке.
Недостатком указанного способа является узкая область его применения - только для изготовления цилиндрических обечаек. Кроме этого, неплотная навивка требует принятия мер защиты от окисления навитых листов при последующем нагреве под раскатку.
Известен способ изготовления армированных спеченных изделий (авт. св. №829719, кл. C22F 3/02, С22С 1/09, опубл. 25.05.1981 г.), включающий сворачивание арматуры в рулон путем навивки на оправку, помещение ее в оболочку, заполнение последующей порошком и уплотнение в радиальном направлении. Перед сворачиванием арматуру размещают на подложке из легкоплавкого или сгораемого материала, а после помещения ее в оболочку проводят нагрев до температуры плавления или сгорания материала подложки.
Недостатком указанного способа являются трудность в получении безпористой заготовки методом порошковой металлургии и, как следствие, снижение механических свойств; сложность технологического процесса - спекание порошковых материалов требует печей с защитной атмосферой или вакуумных, а также необходимость изготовления одноразовых контейнеров; высокая анизотропия физико-механических свойств полученной заготовки.
Известен способ изготовления многослойных труб по авт.св. №984552, кл. В21С 23/08, опубл. 30.12.82 г.), включающий сворачивание ленты из стали в рулон с осевым отверстием, введение в отверстие рулона прессовой иглы и последующее выдавливание рулона из полости контейнера. При этом ленту сворачивают в рулон так, чтобы после нагрева ее наружный диаметр на 3-10% превышал диаметр полости контейнера и диаметр отверстия на 3-10% превышал диаметр пресс-иглы, а перед выдавливанием из полости контейнера производят пресс-штемпелем редуцирование рулона по диаметру этой полости. Это позволяет устранить зазоры между слоями рулонированной заготовки перед прессованием, предотвратить складкообразование и обеспечить послойное равномерное пластическое течение металла заготовки, в результате чего улучшается качество горячепрессованных многослойных труб.
Недостатком указанного способа является узкая область применения - только для изготовления многослойных труб. Кроме этого, неплотная навивка требует принятия мер защиты от окисления листов при нагреве путем редуцирования, что усложняет технологический процесс.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому изобретению является способ производства многослойных металлических труб, защищенный патентом RU 2036063 С1, кл. В23K 20/00, опубл. 27.05.95 г., принятый за ближайший аналог (прототип).
Способ по прототипу включает резку металлической полосы, полученной горячей прокаткой, на мерные заготовки непосредственно после прокатки, нанесение на мерную заготовку в процессе ее намотки на форматный барабан легкоплавкого металла в виде порошка или листа с температурой плавления, не превышающей 1100°С, при температуре стального листа менее температуры плавления легкоплавкого металла. Для облегчения процесса сборки, изоляции трубы от действия жидкостей и газов, а также от коррозии навивку металлического листа осуществляют на полый металлический сердечник, выполненный цельнолитым или из листа, на наружной стороне которого выполняют уступ высотой, равной толщине металлического листа, и длиной, равной ширине мерной заготовки, располагая торец наматываемого материала встык с уступом. Наружная поверхность сердечника выполнена по спирали соответственно навитым слоям высокопрочного металлического листа. При остывании многослойной металлической трубы наружные слои за счет их линейного сужения с большой силой сдавливают внутренние слои, что увеличивает диффузию легкоплавкого металла в слои прокатанного металлического листа с предварительным напряжением слоев трубы.
Преимуществом и общим признаком прототипа с предлагаемым изобретением является возможность одновременной навивки листов различных материалов с различными прочностными свойствами, что позволяет получать заготовки из сплавов с различными физико-механическими свойствами.
Однако, прототип не лишен недостатков:
во-первых, навивка осуществляется листом, нагретым до высокой температуры, что усложняет проведение процесса навивки;
во-вторых, использование для навивки листа горячей прокатки, имеющего более высокие отклонения по разнотолщинности по сравнению с листом холодной прокатки, снижает плотность навивки, приводит к низкому качеству паяного шва и, как следствие, к высокой анизотропии физико-механических свойств;
в-третьих, предложенный способ не обеспечивает равнопрочного соединения навитых слоев, в результате чего происходит большой разброс физико-механических свойств в радиальном направлении;
в-четвертых, необходимость применения полой оправки и легкоплавкого металла сужает область применения способа.
В задачу изобретения положено создание нового способа изготовления металлических и композиционных заготовок из листовых материалов.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в увеличении плотности навивки, в получении заготовок с более однородным химическим составом и с более равномерным распределением физико-механических свойств (плотность, предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость) по их сечению, в расширении области использования.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления металлических или композиционных заготовок из листовых материалов, включающем одновременную навивку на оправку по меньшей мере двух листов материалов с различными прочностными свойствами, закрепление концов материала, осуществляют навивку листовых материалов, смотанных в рулоны, с натяжением листового материала с более высокими прочностными свойствами 10-60% от предела прочности навиваемого материала и с натяжением листового материала с более низкими прочностными свойствами 0-33% от предела прочности навиваемого материала, при этом натяжение материала с более высокими прочностными свойствами должно быть выше предела текучести контактирующего с ним материала с более низкими прочностными свойствами, после чего осуществляют сварку навитых слоев; предварительно осуществляют подготовку поверхности навиваемого листового материала и оправки, включающую очистку от загрязнений, мешающих схватыванию; навивку осуществляют на холодную оправку; в качестве оправки используют пруток, прокат, поковку, втулку или трубу; наружный слой выполняют из материала, коэффициент линейного расширения которого не более коэффициента линейного расширения внутренних слоев; осуществляют сварку давлением навитых слоев путем их пластической деформации, или их нагревом до определенной температуры, или их пластической деформацией с нагревом; осуществляют диффузионную сварку навитых слоев при температуре 400-1350°С; нагрев навитой заготовки перед пластической деформацией осуществляют до температуры 0-1200°С; пластическую деформацию осуществляют после навивки навитых слоев; пластическую деформацию навитых слоев осуществляют путем прессования, прокатки, ковки; после проведения пластической деформации выполняют термическую обработку.
На фиг. 1 представлен схематический рисунок навивки двух полос, осуществляемой в одном из вариантов предлагаемого способа изготовления металлических или композиционных заготовок из листовых материалов, где 1 - оправка для навивки; 2, 3, 4 - ведущий, нажимной и поддерживающий валки; 5 - рулоны навиваемых материалов.
Способ изготовления металлических или композиционных заготовок из листовых материалов включает одновременную навивку на оправку по меньшей мере двух листов материалов с различными прочностными свойствами (натяжение навивки одного из материалов превышает предел текучести другого), закрепление концов материала. При этом осуществляют навивку листовых материалов, смотанных в рулоны, с натяжением листового материала с более высокими прочностными свойствами 10-60% от предела прочности навиваемого материала и с натяжением листового материала с более низкими прочностными свойствами 0-33% от предела прочности навиваемого материала, после чего осуществляют сварку навитых слоев. При этом натяжение материала с более высокими прочностными свойствами должно быть выше предела текучести контактирующего с ним материала с более низкими прочностными свойствами.
Предварительно осуществляют подготовку поверхности навиваемого листового металлического материала и оправки, включающую очистку от загрязнений, мешающих схватыванию.
Навивку осуществляют, например, на холодную оправку.
В качестве оправки используют, например, пруток, прокат, поковку, втулку или трубу.
Наружный слой выполняют, например, из материала, коэффициент линейного расширения которого не более коэффициента линейного расширения внутренних слоев.
Осуществляют, например, сварку давлением навитых слоев путем их пластической деформации, или их нагревом до определенной температуры, или их пластической деформацией с нагревом.
Сварка давлением - сварка с применением давления, осуществляемая за счет пластической деформации свариваемых частей при температуре ниже температуры плавления (ГОСТ 2601-84 Сварка металлов. Термины и определения основных понятий.)
Осуществляют, например, диффузионную сварку навитых слоев при температуре 400-1350°С.
Диффузионная сварка - сварка давлением, осуществляемая за счет взаимной диффузии атомов в тонких поверхностных слоях контактирующих частей. Диффузионная сварка осуществляется при относительно длительном воздействии повышенной температуры и незначительной пластической деформации (ГОСТ 2601-84).
Нагрев навитой заготовки перед пластической деформацией осуществляют, например, при температуре от 0 до 1200°С.
Пластическую деформацию навитых слоев осуществляют, например, после навивки.
Пластическую деформацию навитых слоев осуществляют, например, путем прессования, прокатки, ковки.
После проведения пластической деформации выполняют, например, термическую обработку заготовки путем гомогенизационного отжига или отпуска.
Изготовление заготовок предлагаемым способом осуществляют следующим образом.
Тщательная очистка поверхностей контакта соединяемых листов является определяющим условием получения высокой прочности сцепления листов в процессе сварки. Для получения качественного соединения контактных поверхностей слоев в навиваемой заготовке производят их очистку от различных загрязнений, мешающих схватыванию металлов (масло, адсорбированная влага, окисные пленки и т.д.). Способы подготовки поверхностей к сварке давлением, включающие механическую обработку, обезжиривание, травление, прокаливание, дегазацию подробно описаны в работах по производству биметаллических соединений и в производстве изделий методом порошковой металлургии.
В качестве исходного материала для изготовления заготовок используют листовой рулонный прокат. Предпочтение отдают листу холодной прокатки, так как он имеет меньшие погрешности в изготовлении по сравнению с листом аналогичных размеров, полученным горячей прокаткой.
Навивку листовых материалов осуществляют, например, на моталках, токарных станках, роликах или другом виде оборудования, позволяющем обеспечить габаритные параметры заготовки. Навивку производят на оправку, в качестве которой используют, например, пруток, прокат, поковку, втулку или трубу, по одной из схем, применяемых при навивке рулонированных материалов (фиг. 1). Количество навиваемых одновременно материалов выбирают не менее двух, определяют практической целесообразностью и конструкцией получаемой заготовки. При этом используют материалы с различными прочностными свойствами (натяжение навивки материала с более высокими прочностными свойствами должно превышать предел текучести материала с более низкими прочностными свойствами). Навивку выполняют с натяжением листового материала с более низкими прочностными свойствами 0-33% от предела прочности навиваемого материала и с натяжением листового материала с более высокими прочностными свойствами 10-60% от предела прочности навиваемого материала. Напряжение навивки материала с более высокими прочностными свойствами выбирают таким образом, чтобы получить газонепроницаемое соединение слоев за счет течения или уплотнения материала с более низкими прочностными свойствами. При этом напряжение натяжения выбирают так, чтобы избежать разрыва листа, обеспечить максимальное обжатие предыдущего слоя, получить равномерную толщину навитых слоев.
Сила натяжения навиваемого листа определяется формулой
н
В
F=σ×S×K,
н
где F - сила натяжения навиваемого листа (Н);
В
σ - гарантированный предел прочности навиваемого материала (МПа);
2
S - площадь поперечного сечения навиваемого листа (мм);
K - коэффициент натяжения.
Коэффициент натяжения K зависит от комбинации навиваемых материалов, отношения предела текучести к пределу прочности материала каждого навиваемого листа и линейной скорости навивки.
Коэффициент натяжения K установили эмпирическим путем. Для листового материала с более низкими прочностными свойствами коэффициент натяжения K=0-0,33, а для листового материала с более высокими прочностными свойствами K=0,1-0,6.
Напряжения, возникающие при навивке, определяются следующим образом:
Н
н
σ=F/S
Скорость навивки от 1 до 20 об/мин выбирают исходя из условий производительности процесса и завершенности протекания пластической деформации между слоями навиваемых листов. Чем меньше скорость навивки, тем более завершенным является процесс пластического течения металла в контактной зоне. По достижению требуемого диаметра заготовки конец листа закрепляют к предыдущему слою, например, с помощью сварки, пайки, склеивания или с помощью хомута. Последние витки (виток) навивки выполняют из материала с коэффициентом линейного расширения не больше, чем у материала внутренних слоев. Это позволяет увеличить силу сжатия навитых листов при нагреве. При этом внешний слой выполняют с запасом прочности и пластичности для обеспечения плотного и надежного обжатия внутренних слоев в процессе последующих операций. Для этого используют материалы с большой толщиной листа, минимальной напряженностью, высокими пластическими свойствами. После навивки осуществляют нагрев и сварку давлением навитых слоев, например, при температуре 400-1350°С (данный температурный интервал обеспечивает спекание заготовок как из легкоплавких сплавов, так и из тугоплавких материалов). После навивки или после диффузионной сварки навитых слоев могут выполнять их пластическую деформацию.
Нагрев под обработку металлов давлением может производиться на любых видах термического оборудования. Проведение нагрева с максимально возможной скоростью позволяет эффективно использовать напряженное состояние слоев для диффузионно-вязкого течения материала. Нагрев осуществляют, например, в печах с окислительной или с защитной атмосферой, а также в вакуумных печах. При нагреве заготовок из металлов и сплавов основными целями являются образование физического контакта поверхностей на стадии нагрева; удаление адсорбированных газов из внутренних поверхностей. Режим нагрева и выдержки при сварке давлением подбирают индивидуально к каждому сочетанию свариваемых материалов в зависимости от чистоты поверхности (отсутствие загрязнений, шероховатость, наличие окисленного слоя), величины зерна металла, изменения напряженного состояния между слоями в процессе нагрева, структурного состояния металла (наклепанное, отожженное).
Пластическую деформацию выполняют для активации процесса сварки навитых слоев, заварки внутренних дефектов и придания необходимой формы навитой заготовке. В предлагаемом способе изготовления заготовок используют сварку со свободным деформированием, реализующим ползучесть металлов, и сварку с принудительным деформированием. Сварку со свободным деформированием реализуют в процессе нагрева и выдержки заготовки при температуре нагрева. Факторами, способствующими реализации сварки, являются навивка, обеспечивающая напряжения сжатия между слоями на уровне предела текучести. Сварку с принудительным деформированием могут выполнять любыми известными способами обработки металлов давлением. Для получения плотной бездефектной структуры заготовки пластическую деформацию навитых слоев начинают с протяжки, так как она является наиболее активной операцией в отношении заварки макро- и микропустот. Другие технологические факторы, благоприятствующие заварке дефектов, описаны в литературе по проковке слитков и труднодеформируемых материалов. Пластическую деформацию при изготовлении композиционных и малопластичных материалов предлагаемым способом проводят при температуре ниже температуры возникновения малопластичных соединений.
Таким образом, осуществление навивки листовых материалов с различными прочностными свойствами с натяжением одного материала выше предела текучести другого материала обеспечивает возможность задействования механизмов ползучести уже на стадии навивки, что позволяет устранять дефекты поверхности листов, компенсировать отклонения по их разнотолщинности. Плотная навивка позволяет производить нагрев под обработку материалов давлением в окислительной атмосфере.
Осуществление навивки листов разной толщины, разного химического состава, структуры, уровня напряженного состояния обеспечивает расширение областей использования предлагаемого способа.
Ниже приведены примеры конкретного исполнения предлагаемого изобретения.
Пример 1. Изготовление заготовки из интерметаллидных соединений.
3
В
В
т
2
2
2
2
2
Для изготовления интерметаллидного сплава TiAl- TiAl на оправку аналогичного химического состава с получаемой заготовкой, не прошедшую окончательного спекания, диаметром 50 мм, навивают одновременно ленту титана ВТ1-0 толщиной 0,35 мм, шириной 300 мм в отожженном состоянии (σ=35-50 кг/мм) и ленту алюминия А0 толщиной 0,25 мм, шириной 300 мм в отожженном состоянии (σ≥6,0 кг/мм; σ=1,5-3 кг/мм). Навивку ведут одновременно с 2-х рулонов до получения диаметра заготовки 400 мм. Навивку выполняют при напряжении натяжения 3,5-5 кг/мм для титановой ленты, что составляет 10-15% от ее гарантированного предела прочности; лента алюминия навивается с напряжением натяжения 0,15-0,45 кг/мм, что составляет 10-30% от ее гарантированного предела прочности. Последние 3 слоя навивки выполняют титановой лентой. Конец навивки прикрепляют к последнему слою. Полученную заготовку обжимают толстостенным хомутом из ст. 20, нагретым до температуры 600°С, и заневоливают. Нагрев под спекание до температуры 850°С с промежуточной выдержкой при температуре 620°С производят в заневоленном состоянии. Гомогенизационный отжиг для получения более однородной структуры проводят при температуре ~1250°С.
Пример 2. Изготовление заготовки металлографического композиционного материала.
Материалы данной группы широко используются как антифрикционные, фрикционные и контактные материалы для передачи электроэнергии в движении.
Схема технологии получения антифрикционного композиционного материала Fe+8%C выглядит следующим образом:
В
т
В
В
2
2
3
2
2
2
2
- осуществляют одновременную навивку на втулку матрицы ∅50 мм листа из стали 10 отожженного ((σ=30-41 кг/мм; σ≥21 кг/мм) толщиной 0,4 мм, шириной 400 мм и фольги терморасширенного графита (ТРГ) ГФ-100 толщиной 0,2 мм, шириной 400 мм, плотностью 1,4 г/см (σ≥0,7 кг/мм; при сжатии σ≥20 кг/мм); при напряжении натяжения 0-0,15 кг/мм для фольги ТРГ, что составляет 0-20% от ее гарантированного предела прочности на растяжение; с напряжением натяжения листа из ст. 10 12-18 кг/мм, что составляет 40-60% от ее гарантированного предела прочности до получения заготовки диаметром 100 мм;
- полученную заготовку устанавливают в обойму матрицы, нагретую до температуры 500°С. Производят нагрев заготовки в обойме до 530°С;
- осуществляют прессование навитой заготовки при температуре ~530°С до размера: наружный диаметр 60 мм, внутренний диаметр 50 мм;
- диффузионная сварка полученной заготовки при температуре 1050-1100°С.
Пример 3. Изготовление заготовки из композиционных материалов на основе тугоплавких соединений.
Для получения твердых сплавов, сталей типа (Ferro-TiC) в настоящее время используются методы порошковой металлургии. Изготовление данных материалов возможно и методом навивки.
Рассмотрим получение заготовки 80% TiC + 20% Ni-Mo связки.
Используемые для навивки материалы:
В
2
- лист титановый ВТ1-0 толщиной 0,6 мм, шириной 400 мм, отожженный (σ=35-50 кг/мм);
В
т
2
2
- лист 1 из сплава 81 НМЛ толщиной 0,1 мм, шириной 400 мм, отожженный ((σ=60-70 кг/мм; σ≥25 кг/мм);
3
2
2
В
В
- фольга терморасширенного графита SIGRAFLEX толщиной 0,15 мм, шириной 400 мм, плотностью 1,3 г/см (σ≥0,7 кг/мм; при сжатии σ≥20 кг/мм).
Навивку производят на оправку (пруток) диаметром 40 мм аналогичного химического состава с получаемой заготовкой, не прошедшую окончательного спекания.
2
2
Навивку осуществляют с 4-х рулонов таким образом, чтобы уплотняемый графитовый материал находился между металлическими листами. Навивку выполняют при напряжении натяжения 12-18 кг/мм для листов сплава 81НМА и титанового листа ВТ1-0, что составляет 20-30% и 35-50% от их гарантированных пределов прочности соответственно. Графитовую фольгу навивают с напряжением натяжения 0-0,15 кг/мм, что составляет 0-20% от ее гарантированного предела прочности на растяжение. Навивку ведут до получения диаметра заготовки 150 мм. Последние 3 слоя навивки выполняют титановой лентой. Конец навивки прикрепляют к предыдущему слою.
Полученную заготовку устанавливают в обойму матрицы, нагретую до температуры 400°С. Производят нагрев заготовки в обойме до 400°С. Прессование заготовки до диаметра 50 мм ведут при температуре 400°С. Диффузионную сварку ведут в присутствии образующейся при нагреве и выдержке жидкой фазы при температуре 1300-1350°С.
Пример 4. Изготовление заготовки медно-алюминиевого слоистого композиционного материала.
На пруток из сплава АМг6 диаметром 30 мм и длиной 600 мм одновременно навиваются листы:
В
В
Т
2
2
2
- алюминиевомагниевого сплава АМг6 с нормальной плакировкой, отожженного, толщиной 0,5 мм и шириной 600 мм. Предел прочности листа АМг6 - (σ≥31 кг/мм); плакированного слоя - (σ≥6 кг/мм; σ=1,5-3 кг/мм).
в
2
- технической меди M1 в отожженном состоянии толщиной 0,4 мм и шириной 600 мм. Предел прочности листа M1 - (σ=20-27 кг/мм).
2
Навивку ведут одновременно с 2-х рулонов до получения диаметра заготовки 250 мм. Навивку плакированной алюминиевомагниевой и медной ленты выполняют при напряжении натяжения 3,5-5 кг/мм, что составляет 11-16% и 17,5-25% от их гарантированных пределов прочности соответственно. Последние 5 слоев навивки выполняют лентой из технической меди. Конец навивки прикрепляют к последнему слою.
Прессование навитой заготовки через конусную матрицу осуществляют без предварительного нагрева до диаметра заготовки 50 мм. Полученную заготовку отпускают при температуре 170-200°С.
Пример 5. Изготовление крупногабаритной заготовки из стали 12Х18Н10Т.
в
т
в
2
2
2
2
2
Для изготовления заготовки с габаритами: диаметр наружный 1100 мм, диаметр внутренний 550 мм, длина 1000 мм на трубу из стали ТР304 630×24 по ASTM А312/А312М-06 навивают одновременно два холоднокатаных листа из стали 12Х18Н10Т 3,5×500 до получения диаметра 1500 мм. Используются материалы, находящиеся в разном структурном состоянии: один рулон в термически обработанном с σ≥54 кг/мм и σ≥21 кг/мм; другой в полунагартованном с σ≥75 кг/мм. Навивку термически обработанного листа выполняют при напряжении натяжении 12-18 кг/мм, что составляет 22-33% от его гарантированного предела прочности и для полунагартованного листа 25-30 кг/мм, что составляет 33-40% от его гарантированного предела прочности. Навивку двух последних слоев заготовки выполняют термообработанным материалом с приваркой конца к последнему витку. Наружные слои навитой заготовки укутывают теплоизолирующим материалом - муллитокремнеземистым фетром толщиной 30 мм в два слоя. Нагрев до температуры ковки осуществляют с максимально возможной скоростью. Температурный интервал ковки 1200-850°С.
Пример 6. Изготовление заготовки магниево-алюминиевого слоистого композиционного материала.
На пруток из сплава АМг6 диаметром 50 мм и длиной 200 мм одновременно навивается лента:
В
в
Т
2
2
2
- алюминиевомагниевого сплава АМг6 с нормальной плакировкой, отожженная ,толщиной 0,5 мм и шириной 200 мм. Предел прочности листа АМг6 - (σ≥31 кг/мм); плакированного слоя - (σ≥6 кг/мм; σ=1,5-3 кг/мм).
в
2
- магниевого сплава МА2-1 в отожженном состоянии толщиной 0,6 мм и шириной 200 мм. Предел прочности листа МА2-1 - (σ≥26 кг/мм).
2
Навивку ведут одновременно с 2-х рулонов до получения диаметра заготовки 400 мм. Навивку плакированной алюминиевомагниевой и магниевой ленты выполняют при напряжении натяжения 3,5-5 кг/мм, что составляет 11-16% и 13,5-20% от их гарантированных пределов прочности соответственно. Полученную заготовку обжимают толстостенным хомутом из ст. 20, нагретым до температуры не более 440°С и заневоливают. Диффузионную сварку выполняют в вакуумной печи при температуре 420-440°С.