СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИМЕТАЛЛОВ Российский патент 1996 года по МПК C22F1/00 B32B15/18 

Изобретение относится к производству многослойных материалов, в частности на основе алюминия и железа, и может быть использовано в металлургической промышленности.

Известен способ плакирования алюминием нержавеющей стали в процессе холодной прокатки пакета с 40-70%-ным обжатием за проход и с последующим отжигом при 400-600^оС (патент Японии N 12509, 1962). Отжиг предназначен для восстановления пластических свойств входящих в состав биметалла материалов и требует продолжительности нагрева не менее 1 ч. По результатам исследований границ раздела слоистой композиции [1] сделан вывод о том, что изотермический нагрев биметалла сталь алюминий (например, Х18Н10Т сплав АМг) до 450-480^оС практически не влияет на свойства сталеалюминиевого соединения. Нагрев свыше 500-520^оС сопровождается образованием хрупкой интерметаллидной прослойки, что в условиях длительных выдержек приводит к критическому снижению прочности сцепления слоев.

Также отмечается, что нагрев биметалла Х18Н10Т сплав АМг6 до температур 450оС включительно и выдержках до 500 ч не сопровождается изменениями структуры границы раздела биметалла, выявляемыми обычными металлографическими исследованиями [2] Поэтому термическую обработку биметалла сталь алюминий назначают, как правило, из условия достижения прочностных или пластических свойств металлов, входящих в состав композиции.

Известен способ прокатки конструкционных биметаллов без деформации стальной основы [3] включающий нагрев заготовок из алюминиевых сплавов, предварительно плакированных слоем чистого алюминия, до температуры их горячей прокатки, формирование пакета с использованием холодных или нагретых стальных полос, прокатку пакета за один проход с обжатием 65-80% и термическую обработку. По этому способу биметаллические листы не требуют отжига, если процесс прокатки проводят в оптимальном режиме нагрева алюминиевых заготовок (400-430^оС), в противном случае биметалл подвергается стабилизирующему отжигу при 350^оС в течение 0,5-2,0 ч. Назначение стабилизирующего отжига рекристаллизация алюминиевого сплава для достижения его максимальной пластичности стабилизирует свойства биметаллических листов по прочности сцепления слоев благодаря снятию внутренних напряжений на межслойных границах, вызванных наклепом алюминиевого сплава, но приводит к снижению прочности на 10-15% по сравнению с исходным состоянием.

Недостаток этого способа заключается в том, что термическая обработка материала, направленная на получение в алюминиевом сплаве структуры отраженного состояния, сопровождается снижением свойств биметаллических листов как в продольном (пределы прочности и текучести при растяжении), так и в поперечном (прочность слоев на отрыв и срез) направлениях. Результатом является уменьшение эксплуатационной прочности и работоспособности конструкций сталеалюминиевых соединений.

Цель изобретения повышение прочности, надежности и стабильности соединения слоев биметалла на основе стали и сплавов алюминия путем проведения термической обработки, при которой возможно, с одной стороны, благоприятное изменение напряженного состояния на границе раздела сталеалюминиевой композиции, а с другой, сохранение текстуры деформации алюминиевого сплава. В частных случаях предлагаемого способа решается задача повышения стабильности прочностных свойств на отрыв, повышение прочности при растяжении (термообработка при 250-450^оС) и повышение прочностных свойств на отрыв (термообработка при 450-550^оС). Сущность способа заключается в том, что термообработку проводят при 250-450^оС нагрев осуществляют в течение 0,1-2 ч, а в интервале 450-550^оС в течение 0,01-0,1 ч; в последнем варианте нагрев при термообработке осуществляют со скоростью 1-10^оС/с, а охлаждение 5-450^оС/с.

Металлографическими исследованиями с привлечением методик выявления фигур травления установлено, что в биметалле, полученном прокаткой без деформации стального слоя, на границе контакта сталеалюминиевого соединения формируется неравновесная структура с высокой плотностью дислокаций, ответственная за низкую пластичность материала. Термическая обработка биметалла способствует залечиванию микродефектов на границе раздела и формированию равновесной структуры приконтактных объемов алюминия и тем самым определяет более высокие пластические свойства материала. Достижение этого эффекта возможно при нагреве биметалла в интервале 250-450^оС с продолжительностью 0,1-2,0 ч. причем нижние и верхние границы рекомендованного диапазона температур требуют верхних и нижних границ продолжительности нагрева соответственно. Термообработка по приведенному выше режиму не сопровождается полной рекристаллизацией алюминиевого сплава, т.е. в нем сохраняется текстура деформации, а следовательно, и прочностные свойства на 30-40% выше, чем в отожженном состоянии.

Термообработка ниже 250^оС с продолжительностью более 2 ч не изменяет состояния границ раздела биметалла, а нагрев свыше 450^оС сопровождается образованием на контактной поверхности биметалла интерметаллидных фаз, что в зависимости от температурно-временных условий воздействия весьма различно сказывается на качестве сцепления слоев материала. По результатам механических испытаний биметаллических образцов на отрыв и срез установлена зависимость изменения прочности сцепления слоев и характер разрушения после термообработки материала в диапазоне 250-660^оС с продолжительностью нагрева от 0,01 ч (660^оС) до 4 ч (250^оС).

Нагрев биметалла в интервале от 250 до 450^оС повышает стабильность достигаемых значениях прочности сцепления слоев; разрушение образцов происходит вязко, преимущественно по металлу алюминиевой прослойки. В результате термической обработки в интервале 420-550^оС прочность сцепления повышается, причем при 460-480^оС она имеет максимум на 20-30% выше исходных значений. Повышение прочности сцепления слоев после термообработки в интервале 420-550^оС следует рассматривать как благоприятный фактор в формировании свойств биметалла.

Нагрев свыше 550^оС с выдержками более 0,01 ч сопровождается интенсивным спадом прочности сцепления слоев, недопустимым для конструкционного материала.

Для обеспечения гарантированных значений прочности и стабильности соединения слоев биметалла термическую обработку в интервале 450-550^оС целесообразно проводить по специальному циклу: нагрев со скоростью от 1 до 10^оС/с, а охлаждение от 5 до 50^оС/с с целью ограничения времени пребывания металла при критических с точки зрения образования интерметаллидов температурах. С одной стороны, только в указанном интервале температур происходит образование промежуточных фаз, обеспечивающих высокие значения прочности соединения слоев, с другой продолжительные выдержки могут привести к формированию интерметаллидных прослоек критической толщины, при которой происходит резкое падение прочности сцепления слоев.

Выбор конкретных параметров термической обработки биметалла целесообразно устанавливать исходя от назначения и температурного режима эксплуатации изделий. При рабочих режимах, ограниченных 100-150^оС, можно назначать термическую обработку, приводящую к максимальной прочности соединения слоев, в интервале 450-550^оС. При возможных высокотемпературных воздействиях, в том числе сварочного характера, термическую обработку следует проводить по режимам, сопровождающимся только процессами гомогенизации внутреннего строения приконтактной области сталеалюминиевого соединения (250-450^оС).

Способ осуществляют следующим образом.

Способ получения биметаллов алюминиевый сплав марки 1561 сталь марок 10ХСНД или Х18Н10Т с промежуточной прослойкой из технически чистого алюминия марки АД1.

Технологический процесс включает: подготовку соединяемых поверхностей зачисткой абразивными кругами и проволочными щетками с последующим обезжириванием или травлением; нагрев алюминиевых заготовок, предварительно плакированных слоев сплава АД1 до температуры их горячей обработки, составляющей 400-430^оС; формирование пакетов с использованием стальных полос как в холодном, так и в нагретом до 150-175^оС состояниях; прокатку пакетов на стане горячей прокатки за один проход с обжатием 65-70% термическую обработку биметаллических полос по заявляемому режиму и прототипу; правку биметалла и контроль качества.

Полученные биметаллические полосы сталь алюминий с соотношением слоев 1: 1 подвергали механическим испытаниям с целью установления уровня свойств в продольном (предел прочности при растяжении σ_ви срезе τ_cp ) и в поперечном направлениях прочность слоев на отрыв σ_отр Результаты, приведенные в таблице, свидетельствуют, что термообработка биметалла в интервале 250-450^оС продолжительностью 0,1-2,0 ч обеспечивает высокие значения прочности при растяжении, на 20-30% превышающие прототип, а также стабильные значения прочности сцепления слоев на отрыв и срез. Термообработка биметалла в интервале 450-550^оС с продолжительностью 0,01-0,1 ч увеличивает в среднем на 20% прочность слоев на отрыв.

Аналогичные качественные зависимости прочностных свойств от температурно-временных воздействий получены для биметалла алюминиевый сплав марки АМг61 сталь Х18Н10Т.

Способ может быть использован в металлургической промышленности в производстве биметаллов. Способ предусматривает подготовку контактных поверхностей слоев стали и алюминиевого сплава, их совместную прокатку с прослойкой из чистого алюминия без деформации стального слоя и последующую термическую обработку при 250-550^oС в течение 0,01-2 ч. Термообработку можно проводить при 250-450^oС в течение 0,1-2 ч, что позволяет улучшить стабильность прочностных свойств и увеличить прочность при растяжении. Термообработка при 450-550^oС в течение 0,01-0,1 ч позволяет повысить прочность на отрыв. 3 з. п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения биметаллов на основе стали и алюминиевых сплавов с промежуточной прослойкой из технически чистого алюминия, включающий подготовку контактных поверхностей, совместную прокатку стали и алюминиевого сплава без деформации стального слоя и последующую термическую обработку, отличающийся тем, что термическую обработку проводят при 250 550^oС в течение 0,01 - 2 ч. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят при 250
450^oС в течение 0,1 2 ч. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят при 450
550^oС в течение 0,01 0,1 ч. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что нагрев при термообработке осуществляют со скоростью 1 10^oС/с, а охлаждение 5 50^oС/с.