МНОГОСЛОЙНАЯ ЗАГОТОВКА ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Полезная модель относится к производству биметаллических заготовок и многослойных пакетов под горячую прокатку и может быть использована в металлургической промышленности, энергомашиностроении, нефтегазостроении, в производстве атомного и нефтехимического оборудования, и машиностроении при изготовлении металлических листов или заготовок из разнородных материалов, в том числе крупногабаритных.
Биметаллическая заготовка предназначена для изготовления ответственных композиционных деталей из трудносвариваемых материалов, например, для соединения низколегированных сталей со средне- и высоколегированными сталями, а также для получения толстолистового горячекатаного проката из, например, высокопрочных и/или коррозионно-стойких сплавов и сталей.
3
Из уровня техники известно изобретение «Пакет для изготовления полого многослойного ячеистого изделия способом диффузионной сварки и сверхпластической формовки», RU 2570714, опубл. 10.12.2015, МПК В23K 20/18, В23K 101/02, B21D 26/02, состоящий из трех заготовок, совмещенных друг с другом с образованием между ними рабочей полости и содержит соединительный элемент для сообщения рабочей полости с системой подачи газа под давлением. Изобретение позволяет создание пакета, который обеспечивает высокое качество изготавливаемого из него полого многослойного ячеистого изделия. Однако он предназначен для изготовлении полых многослойных ячеистых изделий путем диффузионной сварки и сверхпластической формовки и не решает задачи надежного сцепления слоев, один из которых плакирующий для последующей прокатки заготовки. Кроме того, используют диффузионную сварку, а не сварку в среде аргона, кроме того, требует глубокого вакуума между слоями глубиной примерно ~10 Па, что усложняет конструкцию и изготовление заготовки, требуя сложной системы подачи газа при формовке.
Известно изобретение «Способ изготовления многослойных панелей», патент RU 2024376, опубл. 15.12.1994, МПК В23K 20/14, заготовку собирают вместе с обшивками в пакет с установкой в технологической зоне газоподводящих трубок, после чего формуют с подачей рабочей среды между листами обшивок и наполнителем. Позволяет повысить качество диффузионного соединения из-за гарантированного отвода рабочей среды. Однако не предназначена для прокатки листов. Предназначена для изготовления методом совмещенного процесса сверхпластической формовки и диффузионной сварки сложнопрофильных изделий. Не может обеспечить вытеснения газа при изменении объема без дополнительных средств откачки, что не может гарантировать полный вывод газа из-за возможного перекрытия путей отвода. При прокатке это приведет к появлению пузырей из-за отсутствия прочного сцепления слоев.
Известно изобретение «Биметалл повышенной прочности и способ его изготовления», патент RU 2315697, опубл. 27.01.2008, МПК В32B 15/01, В23K 20/08, в котором два различающихся по твердости металла соединены сваркой взрывом, по боковой поверхности выступов металлы соединены сваркой плавлением через металлическую прослойку, воздействуют давлением, которое создают в результате подрыва, а до подрыва заряда между соединяемыми металлами помещают тонкую металлическую прослойку и сваркой взрывом мягкий металл соединяют с прослойкой, а затем осуществляют соединение прослойки с поверхностью твердого металла. Позволяет использовать для изготовления ответственных композиционных деталей из трудносвариваемых материалов, например, для соединения твердых сталей с низкоуглеродистыми, а также толстолистовых и высокопрочных алюминиевых сплавов со сталью, легкоплавких металлов с тугоплавкими. Однако данная технология не предназначена для прокатки, что приводит, особенно при первом усилии, происходящем в первый момент захвата прокатными валками, поэтому для технологии прокатки толстолистовых сталей не голдится, т.к. не получают неразъемное соединение, вдоль сварной поверхности могут развиваться трещины, что вызовет расслоение биметалла, прочная связь металлов по контактным поверхностям отсутствует.
Известно изобретение «Способ получения крупногабаритных плакированных листов», патент RU 2225781, опубл. 20.03.2004, МПК В23K 20/04, в котором перед сваркой пакета по периметру выполняют подслой ручной дуговой сваркой с последующей продувкой пакета инертным газом, заневоливание плакирующего слоя и нагрев под прокатку совмещают с отпуском сварного шва пакета. Способ используют при получении крупногабаритных плакированных металлических листов из герметичных сварных несимметричных пакетов. Позволяет достичь повышения однородности и прочности сцепления основного и плакирующих слоев и уменьшения отходов биметалла, связанных с локальными отслоениями плакировки, в том числе по кромкам готового проката. Однако не решает задачу отсутствия или использования сварочных зазоров между слоями, что приводит к неравномерности сцепления, появлению отдельных несплавлений по площади и по кромкам, образованию локальных отслоений плакировки вследствие разрушения технологического сварного соединения пакета.
Известно изобретение «Способ изготовления плакированного металлического листа», патент RU 2421312, опубл. 20.06.2011, МПК В23K 20/08, В23K 20/04, В32B 7/04, в котором пакет составлен из, по меньшей мере, одного слоя основного и, по меньшей мере, одного слоя плакирующего металла, слои металла сварены взрывом с относительной деформацией пакета 1,3-12%, равной отношению величины сжатия пакета до и после взрыва, контактные поверхности зачищены, по всему контуру сопряжения основного и плакирующего слоев выполнено усиление линии сцепления сваркой. Изобретение позволяет снизить влияние усилия сдвига в первый момент захвата прокатными валками на плакированный слой, удалить и/или блокировать концентраторы напряжений, сформированные непроварами по околокромочной линии сопряжения. Однако не позволяет получить качественный толстолистовой прокат из многослойных заготовок, представляющих собой пакет из «трудносвариваемых» металлов, а также снизить критичность к режиму нагрева перед прокаткой с обеспечением надлежащего качества сцепления слоев. Кроме того, при больших толщинах биметалла в заготовке с применением крупногабаритных подпродуктов основного металла, вокруг диффузионного слоя возникает зона охрупчивания основного металла, что также не решено.
Известно изобретение «Способ вакуумирования многослойных пакетов под прокатку и устройство для его осуществления», патент RU 2277464, опубл. 10.06.2006, МПК В23K 20/04, в котором многослойный пакет под прокатку, имеет межконтактный зазор основного металла и плакирующего слоя, осуществлена герметизация зазора по периферии плакируемого слоя и имеется стальная трубка, приваренная к пакету вакуумно-плотным швом и становленная в горизонтальном отверстии, просверленном в основной заготовке, находящейся в контакте с плакирующим слоем, а в основной заготовке выполнено встречное вертикальное отверстие. Позволяет повысить надежность сцепления металлов при производстве плакированных листов методом пакетной прокатки за счет подачи нейтрального газа в пакет. Однако существенно усложняет процесс изготовления заготовки, т.к. требует создания вакуума и сохранения вакуума в пакете, т.к. в сварочном зазоре разницы давлений недостаточно для прижатия плакирующего листа. Кроме того, при установленной стальной трубке для отсоса воздуха, установленной в отверстии основной заготовки, находящейся в контакте с плакирующим слоем, не обеспечивается сохранение инертного газа в процессе нагрева под прокатку. В связи с этим не достигается упрочнения сплавленных слоев или слоев, соединенных в результате прокатки многослойной заготовки при прокатке.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является полезная модель «Биметаллическая заготовка», патент RU 84763, опубл. 20.07.2009, МПК В23K 20/04, В23K 20/08, в которой содержится по меньшей мере, один слой основного металла, по меньшей мере, один слой плакирующего металла и промежуточный диффузионный слой между ними, образованный путем горячей прокатки заготовки за счет сварки слоев основного и плакирующего металлов взрывом, предшествующей горячей прокатке заготовки, и содержит сварочный шов, выполненный по всему контуру сопряжения слоев. Относится к производству биметаллических заготовок и многослойных пакетов под горячую прокатку. Позволяет повысить прочность сцепления слоев, снижение влияния кратности и режимов деформации заготовки к конечному листу на качество сцепления слоев, а также снижение влияния усилия сдвига на плакированный слой в первый момент захвата прокатными валками. Однако имеет ограниченные возможности, поскольку позволяет использовать плакирующий слой только при изготовлении многослойных заготовок, состоящих из сопоставимых по твердости и химическому составу материалов. Одновременно не позволяет получить качественный толстолистовой прокат из многослойных заготовок, представляющих собой пакет из «трудносвариваемых» металлов, а также снизить критичность к режиму нагрева перед прокаткой с обеспечением надлежащего качества сцепления слоев. Так при воздействии взрывом на плакирующий и основной слои металла, температурное воздействие и повышенное давление, приводят к образованию в основном металле зон охрупчивания в результате в стали повышенного процента углерода, что приводит к росту мартенситного зерна. Кроме того, при больших толщинах плакирующего металла и основного металла существенно возрастает вероятность возникновения зон непровара, как при изготовлении заготовки, так и в процессе прокатки, это негативно сказывается на прочности сцепления слоев.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение качества горячего проката за счет более простой технологии сборки заготовки.
В настоящее время требуется получить такие биметаллические заготовки, которые бы позволили снизить влияние усилия сдвига на плакированный слой в первый момент захвата прокатными валками. Также в судостроении и нефтегазостроении возникает необходимость получить качественный толстолистовой прокат из многослойных заготовок, представляющих собой пакет из «трудносвариваемых» металлов.
При осуществлением горячекатаных листов необходимо добиться ослабления влияния кратности и режимов деформации заготовки при прокатке для получения конечного листа, а также критичности к режиму нагрева перед прокаткой с обеспечением надлежащего качества сцепления слоев. При этом необходимо снизить влияние усилия произошедшего в первый момент захвата прокатными валками, и, тем самым, предотвратить срыв плакирующего слоя при прокатке в первых проходах обжатий. Это, в конечном итоге, увеличит выход готовой продукции.
Заготовка должна обеспечивать возможность производства горячекатаных листов с толщинами, большим, чем 4 мм. Кроме того, необходимо добиться получение больших толщин биметалла в заготовке с применением крупногабаритных подпродуктов основного металла, например, из слябов и брамов.
Желательно получить расходный коэффициент изготовления заготовки примерно 1,2-1,3, который не будет превышать расходного коэффициента обычной литой слябной или брамной заготовки, в результате отсутствия или значительного снижения дополнительных технологических припусков на боковую кромку и на длину заготовки. При этом при производстве заготовки требуется минимизировать охрупчивание основного металла.
Технический результат, достигаемый в случаи выполнения заявленного решения, заключается в получении более простой заготовки при сохранности требований по повышению прочности сцепления слоев и уменьшения охрупчивания.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что многослойная заготовка для горячей прокатки содержит слой основного металла и слой плакирующего металла. Новизна состоит в том, что слои зафиксированы посредством сварного шва по периметру слоев плакирующего и основного металлов и между этими слоями имеются зазоры, а в основном слое имеются технологические отверстия и клапаны для подачи инертного газа в зазоры. Количество зазоров, технологических отверстий и клапанов может быть от одного до N, в зависимости от длины заготовки.
На чертеже проиллюстрировано техническое решение, которое не охватывает всех вариантов исполнения заготовки.
На фиг. 1 - показана заготовка из слоев основного металла (1), плакирующего металла (2), между плакирующим слоем (2) и основным слоем (1) имеется зазор (3), заполненный инертным газом. Инертный газ подают через проточки (4) в основном металле. Плакирующий и основной металлы заневолены и герметизированы сварным швом (5). Горизонтальная проточка в основном металле заглушена клапаном (6).
Возможны варианты заневоливания нескольких слоев плакирующего металла, чередующиеся с несколькими слоями основного металла. Но между всеми слоями оставлен зазор, который заполнен инертным газом и герметизирован.
Способ соединения слоев «сварка взрывом» для образования диффузионного слоя имеет ограниченные возможности, поскольку его трудно применять в отношении разнородных металлов, и, особенно при больших толщинах плакирующего слоя и основного слоя металлов. Наличие аргона, который при прокатке удаляется через клапан (6) приводит к получению более качественного диффузионного слоя после прокатки, поскольку отсутствуют непровары и пузыри.
Кроме того, при традиционных заготовках в результате охрупчивания основного металла из-за воздействия высоких температур, существенно понижается прочность соединения слоев. Недостаточно высокие точность и плоскостность биметалла, получившиеся в результате сварки взрывом, полностью не устраняются при последующей прокатке, поэтому трудно достичь хорошего качества при изготовлении многослойных заготовок из «трудносвариваемых» металлов.
В качестве сплавленного слоя в контексте данной заявки понимают слой металла, который получают при соединении листов за счет воздействия температур и давления валков, и который образуется между листами основного слоя и дополнительного или между листами основного слоя и плакирующего в результате прокатки.
Для того, чтобы была возможность повысить прочность сцепления слоев, в зазор между основным металлом и дополнительным слоем закачивается инертный газ. В этом случае можно получить биметалл из разнородных металлов, в котором повышение прочности соединения сочетается с гарантией механической целостности соединения.
При воздействии усилия в первый момент захвата прокатными валками, наличие герметичного шва по контуру предотвращает срыв плакирующего слоя при прокатке в первых проходах обжатий.
В процессе обжатия и прокатки требуется оперативно удалить инертный газ из зазора., поскольку наличие между свариваемыми поверхностями остаточного газа затрудняет развитие физического контакта и препятствует получению качественного сплавленного (сварного) соединения, которые получают уже в процессе прокатки.
Наличие проточек в пакете позволяет удалять газообразный продукт, который получают во - первых в результате термического разложения при процессе прокатки, а, во - вторых заполненного инертного газа. Простым разрушением сварного шва в процессе прокатки этого не достичь. Поэтому требуется наличие само срабатывающего клапана, который выпускает газообразный продукт при обжатии и прокатке. Клапан выпускает газообразный продукт по мере спаивания листов пакета в той части, которая подверглась воздействию валков, по мере их продвижения относительно заготовки.
При использовании предложенной заготовки прочность сплавленного (сварного) соединения при сплавлении дополнительного слоя или плакирующего слоя с основным слоем металла намного больше, поскольку при обжатии газообразный продукт равномерно выходит, при этом достигнута простота изготовления заготовки. Кроме того, в процессе прокатки, особенно при первом захвате заготовке валками, газообразные продукты удаляются с помощью само срабатывающего не извлекаемого клапана из межлистового зазора, который также обеспечивает отсутствие турбулентности потока при истекании газа во время первой прокатки.
Для циркуляции инертного газа в межлистовых зазорах пакета, а также отвода инертного газа при прокатке заготовки.
Полученное неразъемное соединение путем совмещения свариваемых поверхностей, нагрева их до высокой температуры перед прокаткой (порядка 1250°С) и в процессе прокатки (конечная температура порядка 750°С), качество конечной продукции в виде толстолистового плакированного соединения зависит также от параметров исходной микроструктуры свариваемых слоев металла, от состояния поверхностей соединяемых между собой слоев, например, степени ее загрязнения, наличия окисных пленок, микрогеометрии рельефа, а также структуры зерна соединяемых сталей.
Продувка зазора (3) и последующая герметизация сварным швом (5) обеспечивает требуемое состояние поверхностей листов, а также уменьшение возникновения газообразных продуктов за счет термического воздействия. Поэтому при сварке слоев во время проката важен состав газа между этими слоями в межлистовом зазоре. Требуется восстановительная среда, которая способствует дополнительной очистке соединяемых поверхностей от продуктов разложения загрязнителей, поэтому целесообразно применять инертный газ.
Наиболее целесообразно применять предварительную механическую обработку листов, предпочтительно до шероховатости поверхности V 12,5 класса.
Поскольку плакирующий материал должен обладать пластичностью, то в нем также не должно возникать твердых мартенситных включений или включений карбида хрома в переходной зоне. Склонность к охрупчиванию аустенитного плакирующего слоя преодолевают также с помощью конструкции предложенной заготовки.
Последовательность сборки заготовки осуществляется следующим образом. Перед сборкой пакета происходит шлифовка и обезжиривание контактируемых поверхностей металла основного (1) и плакирующего слоя (2), сборку пакета осуществляют с проведением мероприятий по уменьшению зазора между контактирующими поверхностями. Собранный пакет фиксируют ручной дуговой сваркой по торцу плакирующего слоя. Выполняют автоматическую дуговую сварку пакета проволокой с последующей продувкой межлистового пространства инертным газом, с последующим монтажом, как минимум одного клапана, необходимого для уменьшения давления, образовавшегося при нагреве оставшегося инертного газа и начала прокатки.
Заявляемая многослойная заготовка может быть изготовлена следующим образом. В качестве исходной заготовки слоя основного металла (1) используют литые и кованые слябы, брамы, листовые слитки или подкат углеродистых, и/или низколегированных, и/или легированных сталей. Для заготовки плакирующего слоя (2) используют подкат нержавеющей, жаропрочной, сталей, титановых, медных или иных сплавов. Далее производят подготовку контактных поверхностей основного и плакирующего слоев, путем, например, механической обработки или ручной машинной зачистки. После чего осуществляют сборку пакета, обварку продувку инертным газом и монтаж клапана, для предотвращения срыва плакирующего слоя и снижения влияния усилия сдвига в первый момент захвата прокатными валками. Прокатку заканчивают при получении заданных габаритов конечной заготовки или листа.
Кроме того, во всех случаях выполнения заявленного решения, достигается повышение прочности сцепления слоев, а также снижение влияния кратности и режимов деформации заготовки к конечному листу на качество сцепления слоев.
Предложенное техническое решение позволяет выполнить изготовление многослойных заготовок под горячую прокатку и может быть использована в металлургической промышленности и машиностроении при изготовлении металлических листов или заготовок из разнородных материалов, в том числе крупногабаритных.
Возможность инструментального контроля необходимых показателей качества пакета до дорогостоящих операций нагрева и проката с исправлением дефектов сплошности позволяет оптимизировать процесс изготовления заготовок и снизить их себестоимость. Наличие сварного катета и, как минимум, одного клапана, позволяет снизить влияние усилия произошедшего в первый момент захвата прокатными валкам, и, тем самым, предотвратить срыв плакирующего слоя при прокатке в первых проходах обжатий, что, в конечном итоге, увеличивает выход готовой продукции.
Заявленная многослойная заготовка характеризуются простотой изготовления с обеспечением высокого качества проката.