Файл: Биметаллические трубы..pdf

ложением нагрузки со стороны мягкого, менее прочного металла. При этом второй слой, играя роль оправки, будет способствовать возникновению на границе слоев напряжений, значительно превы­ шающих предел пластического сопротивления мягкого металла. При смещении поверхностей произойдет взаимное внедрение металлов во все неровности и шероховатости поверхностей и устранение их вол­ нистости, а также разрушение пленок. При этом необходимо стре­ миться к сохранению в двухслойной заготовке после сочленения кон­ такта поверхностей за счет соответствующего подбора деформаций и соотношения свойств металлов. Этот случай характеризуется тем, что фактическая площадь контакта близка к номинальной.

Второй случай — деформирование со стороны более прочного слоя. При этом площадь фактического контакта значительно меньше

номинальной площади, так как касание происходит по микровысту­ пам без взаимного внедрения металлов. В ряде случаев этого оказы­ вается достаточно для получения впоследствии прочной сварки. Но и здесь,необходимо обеспечить отсутствие зазора между поверхно­ стями./Наличие зазора при последующем нагреве приводит к появ­ лению на поверхностях тонких окисных пленок, которые в некоторой степени разрушаются при значительной пластической деформации в нагретом состоянии (совместная горячая прокатка или прессова­ ние), а при малой (термодиффузионная сварка) остаются сплошными, и препятствуют сварке слоев.

Таким образом, в зоне контакта могут быть созданы благоприят­ ные условия для получения надежной сварки — без расслоений, без пор и прочих дефектов — в последующих процессах совместной горячей деформации и термодиффузионной обработки. Благоприят­ ные условия обеспечивают в некоторых случаях получение сварки в процессе холодной деформации. Разрушенные окисные пленки ого­ ляют чистые ювенильные поверхности металлов, которые, вступая *в контакт, образуют «мостики» сцепления. При соединении разно­ родных металлов, сильно различающихся по свойствам, вследствие сдвигов в зоне контакта возможно значительное выделение тепла,

64

из-за чего может начаться обмен атомов, напоминающий поверхност­ ную диффузию.

Процессы диффузии ускоряются, если двухслойную трубу с плот­ ным контактом слоев нагревают до некоторой оптимальной темпера­ туры, которая ускоряет перераспределение атомов и способствует устранению различного рода несовершенств кристаллической струк­ туры в зоне сварки. На основании экспериментальных данных Н. Ф. Казаков рекомендует оптимальные температуры нагрева ме­

Интервал температур диффузионной сварки, рекомендуемый этим автором для разных композиций металлов,

Т = (0,4-0,88) Тил.

При нагреве на границе сварки под действием начальных контакт­ ных давлений и давлений, возникающих за счет благоприятной раз­ ницы коэффициентов линейного расширения (ан < а в) либо за счет действия избыточного внутреннего давления (при ан > -ав), происхо­ дит пластическая деформация слоев.

При нагреве двухслойной заготовки повышается амплитуда и энергия колебания пограничных атомов и облегчаются условия образования сварки. При горячей прокатке и прессовании на пер­ вой стадии возникают условия развития физического контакта в ре­ зультате смятия микровыступов и шероховатостей, разрыва окисных пленок и введения в контакт ювенильных поверхностей, возрастает число единичных контактов мостиков -схватывания, а суммарная площадь физического контакта стремится к номинальной/ На второй стадии с увеличением внешней нагрузки растет количество вышедших на поверхность дислокаций и провоцируется химическая активация металла, а следовательно, возрастает число мостиков схватывания, стремящееся к своему пределу — сплошному сцеплению по всей площади соприкосновения [35].

Из приведенного анализа следует, что механизм образования сварки металлов в рассмотренных процессах одинаков, пластическая деформация в холодном и горячем состояниях является одним из способов получения чистых поверхностей с одновременным их сбли­ жением на расстояние действия межатомных сил, а нагрев обеспе­ чивает ускорение процессов диффузии. В ряде случаев в процессе диффузионной обработки в связи с малыми давлениями на контакте получаются только отдельные места схватывания (мостики), которые необходимо сохранить (не разрушить) на следующих этапах пласти­ ческого деформирования и развить до полного повсеместного схва­ тывания по номинальной площади контакта при следующих за пла­ стической деформацией обработках. Следует отметить, что при более полном схватывании металлов наблюдается более равномерная де­ формация слоев.

Как уже отмечалось, при горячей деформации можно применять двухслойные заготовки, собранные с зазором. При этом желательно

выдерживать зазоры минимальными с тем, чтобы они могли быть вы­ браны при нагреве за счет большего линейного коэффициента расши­ рения внутренней трубы. В этом случае на контакте поверхностей возникают давления и происходит схватывание металлов. Прочная сварка слоев обеспечивается за счет температуры и давления. Больше того, благодаря давлению сварка может наступить и при значитель­ ных зазорах, препятствующих возникновению контакта поверхностей и схватыванию металлов в стадии нагрева.

Так как процессы деформации осуществляются с большими ско­ ростями (продолжительность цикла 2—3 с), прочное сцепление слоев обеспечивается, вероятно, за счет металлических связей. Диффузи­ онные же процессы развиваются слабо или не наступают' вообще. Это подтверждается микроисследованиями структуры на границе раздела слоев. Линия раздела слоев четкая.

Последующие деформации и отжиг способствуют развитию диф­ фузионных процессов. На границе раздела появляется новая струк­ тура, отличающаяся от структуры слоев соединяемых металлов.

Из приведенных данных о явлениях, происходящих в зоне кон­ такта, ясно, что прочность сцепления зависит от физико-химических свойств металлов, состояния контактных поверхностей, условий де­ формации и нагрева.

Таким образом, сварка слоев является следствием протекания про­ цессов диффузии и образования металлических связей. В зависимо­ сти от параметров (температуры, скорости, давления) в разных спо­ собах производства преобладают те или иные процессы, обеспечи­ вающие прочную сварку металлов.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

При производстве биметаллических труб горячей деформацией применяют прессование и прокатку. Выбор способа и технологии производства зависит от сочетания металлов, их расположения, раз­ меров труб и слоев, требований к качеству и размерам труб. При по­ вышенных требованиях к качеству и малых размерах готовых труб производство их осуществляется в сочетании с холодным переделом (прокатка, волочение). Выбор исходной заготовки также опреде­ ляется конкретными условиями.

Рассмотрим особенности технологических процессов производства биметаллических труб способами прессования и прокатки на непре­ рывных и пилигримовых станах, а также влияние основных фак­ торов процессов на качество получаемых труб.

Производства биметаллических и монометаллических труб раз­ личаются лишь тем, что параметры технологических процессов дол­ жны обеспечить, кроме обычных качественных показателей, сохра­ нение физико-химических свойств каждого металла и прочную их сварку. Важнейшими факторами производства таких труб являются качественное изготовление заготовки, выбор способа нагрева, тем-

66

пературно-скоростных параметров, технологических смазок и сте­ пени деформации.

При установившемся процессе горячей пластической деформации для многих сочетаний разнородных металлов деформация слоев практически пропорциональная. При этом существенное значение имеют конфигурация технологического инструмента, внешнее и меж­ слойное трение, а также расположение слоев в заготовке. Если слой мягкого металла в двухслойной заготовке расположен снаружи, деформация при прокатке менее равномерная, особенно в попереч­ ном сечении.

При неустановившемся процессе наблюдается повышенная про­ дольная и поперечная неравномерности деформации. Больше того, передний конец трубы образуется только из металла внутреннего слоя. Величина его зависит от размеров, расположения и пластич­ ности слоев заготовки и их схватывания. Желательно, чтобы схва­ тывание металлов наступало до начала совместной их деформации. Этому способствует изготовление заготовки с натягом, больший коэф­ фициент линейного расширения внутреннего слоя (ав > ан), а в ряде случаев и неравномерный по сечению нагрев заготовки. Эти факторы повышают межслойное трение и способствуют выравниванию дефор­ мации слоев заготовки Е

При деформации заготовки, собранной с зазором между слоями, также создаются условия для схватывания слоев, но длина переднего конца трубы, продеформированного при неустановившемся про­ цессе, больше, а прочность сварки слоев меньше или сварка отсут­ ствует.

Учитывая это, рекомендуется сборку заготовки, где это вызы­ вается необходимостью, осуществлять с минимальным зазором, кото­ рый устранялся бы при нагреве за счет благоприятной разницы коэф­ фициентов линейного расширения слоев.

Калибровка технологического инструмента

Характерной чертой всех способов горячей деформации является повышенная относительная разностенность слоев по сравнению с разностенностью суммарной стенки. При этом величина ее при прокатке больше, чем при прессовании. Объясняется это явление особенностями калибровки технологического инструмента прессов и прокатных станов.

При прессовании применяют матрицы с круглым замкнутым ка­ либром, который обеспечивает высокую точность геометрических размеров слоев. Наклон образующей входного конуса матрицы со­ ставляет 22—25°. Такие углы, как показала практика, являются оптимальными. При больших углах острые кромки прессшайбы перегреваются, она деформируется и соответственно, заклинивается

'С м о р щ о к В. С. Некоторые вопросы исследования процесса прессования биметаллических труб. Автореф. канд. дис. Днепропетровск, 1966.

игла. Это подтверждается опытом (прессование обычных стальных труб).

На непрерывных и пилигримовых станах прокатку биметалличес­ ких труб ведут в валках, ручьи которых имеют выпуски, что отри­ цательно сказывается на точности размеров слоев. Для повышения точности применяют «круглую» калибровку валков с минимальным соотношением высоты и ширины калибра, а прокатку ведут с макси­ мально возможной частной деформацией. Круглую калибровку должны иметь валки первых 2—3 клетей непрерывного стана и на­ чальная часть ручья валков пилигримового стана, обеспечивающие сварку металлов.

От калибровки этих клетей зависит в значительной степени и разностенность слоев. В остальных клетях допускается повышенное от­ ношение ширины калибра к высоте. Этим облегчается извлечение длинной оправки из трубы и исключаются подрезы наружной по­ верхности труб. Настройка стана с такой калибровкой не вызывает трудностей.

Особенно важно применение круглой калибровки при всех спо­ собах производства биметаллических труб с наружным мягким ме­ таллом. Разностенность больше при расположении мягкого металла снаружи трубы. С увеличением толщины мягкого слоя абсолютная и относительная разностенность растет независимо от его располо­ жения.

Опыт прокатки передельных биметаллических труб сталь 10 + + медь МЗр и сталь + никель размером 57X4,5 мм из двухслойных заготовок размерами 85x16,0x1000— 1400 мм, нагретых соответ­ ственно до 880—920 и 1190— 1200° С, показал, что толщина слоев меди и никеля находилась в основном в пределах 0,7— 1,3 мм, попе­ речная разностенность доходила до 0,5 мм. Меньшая поперечная разностенность наблюдалась на задних концах труб.

При использовании круглого калибра прочность сварки повы­ шается. Так, в круглом замкнутом калибре при горячем волочении двухслойной заготовки сталь 10 + медь МЗр удовлетворительная проч­ ность сварки между слоями обеспечивается при деформации стенки

- на 15%.

При прокатке на непрерывном и пилигримовом станах деформация по толщине стенки для достижения той же прочности должна быть значительно больше (40—60%).

Опыт прессования' биметаллических труб сталь 10 + сталь 0Х18Н10Т показал, что удовлетворительное качество сварки обеспечивается при минимальном коэффициенте вытяжки, рав­ ном 5,5.

Во всех случаях, особенно при внутренней плакировке труб, ре­ комендуется минимальное редуцирование двухслойных заготовок по внутреннему диаметру, а при возможности — даже исключение его, так как это повышает радиальную составляющую деформации внут­ ренних слоев и удельные давления на контакте при прочих равных условиях и соответственно прочность сварки слоев [36].

68