Способ изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов холодным волочением
METHOD FOR MANUFACTURING BIMETALLIC WIRE FROM DIFFERENT METALS WITH COLD DRAWING

Техническое решение относится к обработке металлов давлением, в частности к производству композиционных материалов, и может быть использовано для изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов круглого, квадратного, прямоугольного, овального и т.п. сечения со сплошным или полым (трубчатым) сердечником.
Биметаллическая проволока представляет собой сочетание двух разнородных металлов с четкой границей раздела (соединения) между ними. Соединяемые разнородные металлы могут быть одной основы (например, сталь + нержавеющая сталь) и различной основы (например, сталь + титан).
Главными требованиями, предъявляемыми к биметаллам, являются прочность и пластичность соединения сердечника с оболочкой, его сплошность и стабильность свойств по всей поверхности контакта, равномерность толщины оболочки.
Качество биметалла зависит от свойств переходной зоны, которая образуется путем взаимной диффузии атомов.
Известен способ изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов сердечника и оболочки, соединение которых с образованием переходной зоны осуществляют спаиванием поверхностей сердечника и оболочки с припойным металлом, который располагают в виде прослойки между сердечником и оболочкой, при этом спаивание производят при температуре, превышающей температуру плавления припойного металла (Эспе В. «Технология электровакуумных материалов», Госэнергоиздат, 1962, т. 1, стр. 236).
Биметаллическая проволока, изготовленная по данному способу, имеет недостаточно надежное соединение сердечника с оболочкой, вызванное стенанием при пайке значительной части припойного металла в нижнюю часть заготовки, и поэтому в готовой проволоке обнаруживаются недостаточно герметичные отрезки и неравномерность толщины переходной зоны, что ухудшает качество готовой проволоки.
При соединении металлов плавлением в переходной зоне происходят интенсивные процессы зарождения и роста хрупких интерметаллидов, что ухудшает прочностные и пластические свойства переходной зоны, а значит, и проволоки в целом.
Известен способ изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов сердечника и оболочки, соединение которых с образованием переходной зоны осуществляют пластической деформацией, при этом между сердечником и оболочкой располагают металлическую прослойку (а.с. СССР №978500 «Биметаллический пруток» с приоритетом от 04.01.1981).
В проволоке, изготовленной по данному способу, образуется переходная зона с градиентом прочностных свойств, которая состоит из следующих слоев, расположенных в направлении от сердечника к оболочке: соединение металла сердечника с металлом прослойки, металл прослойки и соединение металла прослойки с металлом оболочки.
Наличие градиента прочностных свойств переходной зоны приводит к неоднородности развития пластической деформации в переходной зоне биметалла и является причиной возникновения в ней очагов разрушения, что в процессе эксплуатации проволоки в условиях изгибающих нагрузок приводит к расслаиванию биметаллической проволоки.
Известен способ изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов сердечника и оболочки, соединение которых с образованием переходной зоны осуществляют горячей прокаткой (Трыков Ю.П. и др. «Исследование структурно-механической неоднородности биметаллической проволоки», Известия ВолгГТУ, серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении», вып. 2: межвуз. сб. науч. ст., Волгоград, 2008, №10. с. 56-61).
При изготовлении проволоки горячей прокаткой с последующим волочением все сформированные дефекты наследуются готовым изделием. Так, формирование развитого геометрически неоднородного контура границы раздела соединяемых металлов связано с неравномерностью деформации, являющейся одной из особенностей процесса прокатки, а также с переполнением калибров на начальной стадии прокатки, при этом контур границы раздела в дальнейшем не изменяется и сохраняется практически неизменным по длине биметаллической проволоки. Следствием неоднородности контура границ является неравномерность толщины оболочки: например, при диаметре проволоки 6,5 мм максимальная толщина оболочки составляет 1,43 мм, а минимальная - 0,21 мм.
Высокий уровень неоднородности деформации при прокатке, сопровождающийся сдвигом одного компонента относительно другого, увеличивает вероятность возникновения очагов разрушения в переходной зоне в процессе последующего волочения, что снижает прочностные свойства биметаллической проволоки.
При нагревах под прокатку на границе соединения металлов формируется структурно-механическая неоднородность, вызванная диффузионными процессами. Так, например, при производстве биметаллов углеродистая сталь + сталь 12Х18Н10Т, при нагреве углерод диффундирует из углеродистой стали в плакирующий слой (оболочку) стали 12Х18Н10Т, упрочняя его в тонкой приграничной зоне, а вследствие обеднения углеродом прочность тонкого приграничного слоя углеродистой стали снижается, что приводит к уменьшению прочности соединения.
При высокотемпературной пластической деформации окислы, образующиеся на поверхности металлов, затрудняют, а в ряде случаев исключают возможность получения биметаллов высокого качества.
Также известен способ изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов, описанный в а.с. СССР №933154 «Способ получения биметаллической проволоки» с приоритетом от 02.07.1980 и выбранный в качестве прототипа.
Известный способ изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов холодным волочением включает очистку контактных поверхностей сердечника и оболочки и их соединение холодным волочением с образованием переходной зоны.
Для изготовления биметаллической проволоки с помощью данного способа используют трубчатую оболочку, в которую затем вставляют сердечник, предварительно обезжирив контактные поверхности оболочки и сердечника.
Недостатком данного способа является наличие зазора между стенками трубчатой оболочки и сердечником, что требует точной центровки сердечника и оболочки с постоянным высокоточным контролем их взаимного расположения, что приводит к усложнению способа. Даже минимальное смещение оси сердечника от оси трубчатой оболочки приводит к формированию дефектной заготовки с неравномерной толщиной оболочки, а эти сформированные дефекты наследуются готовой проволокой, которая в данном случае не удовлетворяет требованию качества, предъявляемому к биметаллам - равномерность толщины оболочки по длине и по сечению.
Кроме того, наличие зазора между трубкой и сердечником в период между очисткой и волочением создает условия для возникновения на их поверхностях оксидных пленок, наличие которых препятствует надежному схватыванию соединяемых металлов, что ухудшает качество переходной зоны и затрудняет возможность получения биметаллов высокого качества.
Особенностью изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов методом холодного волочения является то, что в зоне соединения металлов происходит взаимное проскальзывание соединяемых металлов со снятием поверхностного слоя более мягкого металла, разрушением образующихся мостиков схватывания и исключением механического зацепления контактных поверхностей.
Из приведенного выше анализа аналогов становится ясно, что качество биметаллической проволоки напрямую связано со способом получения проволоки, а попытки получения качественной биметаллической проволоки холодным волочением без применения промежуточных металлических прослоек оказались безрезультатными.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание технологически простого способа изготовления качественной биметаллической проволоки холодным волочением.
Решением данной задачи является способ изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов холодным волочением, включающий очистку контактных поверхностей сердечника и оболочки и их соединение холодным волочением с образованием переходной зоны, новым в котором является то, что после очистки контактных поверхностей, по меньшей мере, на одну из соединяемых контактных поверхностей оболочки и сердечника наносят углеродные нанотрубки и холодное волочение осуществляют с образованием переходной зоны, состоящей из металлов сердечника, оболочки и упомянутых углеродных нанотрубок.
В качестве углеродных нанотрубок используют углеродные нанотрубки серии «Таунит».
На результаты получения биметаллической проволоки из разнородных металлов оказывает большое влияние прочность (твердость) контактных поверхностей соединяемых металлов, так как именно контактные поверхности участвуют в создании качественного соединения при пластической деформации и локализация деформаций происходит в их тончайших поверхностных слоях.
Исходя из этого, с целью выравнивания твердостей контактных поверхностей соединяемых металлов, использованы углеродные нанотрубки, которые в случае значительной разницы в твердостях соединяемых металлов, например сталь + медь, наносят на обе контактные поверхности соединяемых металлов, а в случае незначительной разницы твердостей, например медь + алюминий, углеродные нанотрубки наносят на более мягкую контактную поверхность алюминия.
Выбор углеродных нанотрубок в качестве модификатора свойств контактных поверхностей объясняется их высокими прочностными свойствами на растяжение и на изгиб, что под действием механических напряжений, превышающих критические, исключает их дробление (ломку, разрыв) как в ходе технологического процесса при производстве биметаллической проволоки, так и при ее эксплуатации. Кроме того, углеродные нанотрубки обладают высокой активностью, что также является необходимым для получения качественной биметаллической проволоки.
Для получения качественного соединения металлов контактные поверхности очищают от смазки и оксидных пленок любым известным способом, в том числе и механическим. Сразу после очистки контактных поверхностей, например, скальпированием в среде инертного газа, атомы, расположенные на поверхностях металлов, имеют ненасыщенные связи, что обеспечивает их соединение с углеродными нанотрубками, образуя надежное покрытие поверхностей без оксидных соединений, что в последующем положительно сказывается на качестве биметаллической проволоки. Опытным путем установлено, что при вертикальном расположении углеродных нанотрубок максимальная толщина покрытия не превышает длины углеродной нанотрубки. Так, у выбранных для использования углеродных нанотрубок серии «Таунит», обладающих высокой степенью чистоты, стабильностью свойств и налаженным промышленным производством на территории РФ, длина составляет около 2 мкм.
Благодаря тому что твердости контактных поверхностей выровнены, появилась возможность получения биметаллической проволоки методом холодного волочения, в ходе которого за счет исключения проскальзывания контактных поверхностей соединяемых металлов относительно друг друга образуется надежное соединение металлов с заданным процентным содержанием металлов сердечника и оболочки, толщина которой одинакова по сечению и по длине проволоки. В готовой проволоке переходная зона состоит только из соединяемых металлов и углеродных нанотрубок при полном отсутствии оксидов и интерметаллидов, при этом углеродные нанотрубки играют роль армирующих элементов, повышая прочностные и пластические свойства переходной зоны и проволоки в целом. Углеродные нанотрубки, предварительно нанесенные на поверхность сердечника и/или внутреннюю поверхность оболочки, в готовой проволоке, полученной холодным волочением, расположены только в переходной зоне и распределены по всему ее сечению и длине, при этом суммарная площадь углеродных нанотрубок не превышает 0,025% от площади сечения переходной зоны проволоки.
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям патентоспособности «изобретательский уровень» и «новизна»
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежам, где на фиг. 1 схематично представлено сечение биметаллической проволоки, на фиг. 2 - используемая технологическая линия холодного волочения.
Биметаллическая проволока, изготовленная с помощью заявляемого способа, содержит сердечник 1 и оболочку 2, разделенные переходной зоной 3. Переходная зона 3 состоит из металлов сердечника 1 и оболочки 2 и углеродных нанотрубок 4. Углеродные нанотрубки 4 предварительно, на стадии подготовки контактных поверхностей сердечника 1 и оболочки 2, нанесены, по крайней мере, на одну из этих контактных поверхностей. В качестве углеродных нанотрубок 4 использованы углеродные нанотрубки серии «Таунит».
Заявляемый способ изготовления биметаллической проволоки из разнородных металлов холодным волочением осуществляется на стандартном оборудовании, которое не является предметом изобретения.
Технологическая линия для осуществления заявляемого способа содержит правильные устройства 5 и 6, устройство 7 очистки сердечника 1, устройство 8 очистки оболочки 2, устройство 9 наложения оболочки 2 на сердечник 1, сварочное устройство 10, устройство 11 обжима сформированной заготовки, волочильное устройство 12. Углеродные нанотрубки 4 наносят в устройствах 7 и/или 8 очистки в среде инертного газа.
Расчет режимов волочения производится по авторской методике для каждого конкретного случая с учетом свойств используемых для соединения металлов, начального диаметра заготовки и конечного диаметра готовой проволоки.
В биметаллической проволоке, изготовленной заявляемым способом холодного волочения, толщина оболочки 2 равномерна по сечению и длине проволоки, сердечник 1 расположен точно в центре сечения проволоки, а переходная зона 3, обладающая высокой пластичностью, содержит только соединяемые металлы и углеродные нанотрубки 4 при полном отсутствии оксидов и интерметаллидов.
За счет выравнивания твердостей поверхностей соединяемых металлов с помощью углеродных нанотрубок методом холодного волочения может быть получена биметаллическая проволока из любых пар металлов, которые выбираются из назначения проволоки и условий ее эксплуатации.
Высокое качество заявляемой проволоки позволяет ее надежно эксплуатировать в условиях больших растягивающих и изгибающих напряжений.