СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПРОКАТА ДРАГОЦЕННЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2015 года по МПК B23K20/04 B32B15/01 

Данное техническое решение относится к металлургии - производству биметаллического проката, имеющего пластинчатую форму и предназначенного для использования в ювелирной промышленности. Способ предназначен для использования в области биметаллического соединения преимущественно одного слоя металла - золота, с другим слоем металла, выполненного из платины, или серебра, или из цветных металлов, стали и чугуна. Получаемый биметаллический прокат, состоящий из указанных двух слоев разных металлов, предназначен для использования в производстве часов, сувенирных изделий, посуды, столовых приборов, церковных украшений и ювелирной бижутерии. Указанный биметаллический прокат предназначен также для изготовления ювелирных изделий в комбинации с другими элементами отделки изделий, при этом золото используют в прокате для формирования лицевого слоя проката, а второй, внутренний, слой проката выполняют из других указанных металлов.

Более конкретно, техническое решение относится к электрометаллургии - производству биметаллического проката, имеющего пластинчатую форму, причем имеется в виду соединение одного слоя металла - золота, с другим слоем металла с использованием нагрева соединяемых слоев в электрических печах. Способ относится к соединению разнородных материалов с использованием сварки, осуществляемой за счет диффузии - взаимного проникновения атомов свариваемых слоев заготовок проката при повышенной температуре. Сварку слоев проводят в установке, нагревая места соединения от 600 до 900°C. Методом диффузной сварки в данном способе соединены слои из разнородных металлов, отличающихся по своим физико-химическим свойствам. В таких соединениях прочность соединенных заготовок в большей мере зависит от зазора между соединяемыми заготовками, чистоты поверхности свариваемых заготовок и равномерности нагрева элементов.

Известен способ изготовления биметаллической композиции путем обработки металлов давлением, а именно для получения биметаллических композиций применяют совместную пластическую деформацию. В качестве материала основного слоя биметаллической композиции используется лента из меди с содержанием примесей не более 0,1%. В качестве материала покрытия - медно-никелевый сплав, содержащий 18-20% никеля. Наилучшие эксплуатационные характеристики биметаллической композиции получаются, когда суммарная толщина покрытия составляет 4-20% от толщины основного слоя. Суммарную степень деформации пакета из медной и наложенных на нее двух медно-никелевых лент в процессе плакирования выбирают в интервале 2,4-2,7 (RU 2122930 С1, 10.12.1998).

Известен композиционный материал, состоящий из стальной основы, покрытой медно-никелевым сплавом с содержанием никеля 4-26%, суммарной толщиной покрытия 14-40% от толщины стальной основы, и способ производства биметалла, включающий подготовку поверхностей основы и покрытия, совместную пластическую деформацию, прокатку и отжиг при температуре металла 650-700°C с последующим охлаждением с печью ниже 140°C (RU 2071892 С1, 20.01.97).

Известен композиционный материал, имеющий поверхность золотистой окраски (US 4330559, 18.05.82), где в качестве основного слоя служит сплав на основе меди, содержащий 2-3% алюминия, 1-2,5% кремния.

Известен способ получения составной металлической детали посредством прокатки и рекристаллизации, заключающийся в деформации наложенных друг на друга, составляющих с обжатием, от 40 до 90% и последующим рекристаллизационным отжигом одного компонента (US 3634926, 30.03.1966).

Известен способ изготовления биметалла с основным слоем из меди, покрытым с двух сторон никелем или его сплавами, включающий подготовку поверхности, отжиг собранного пакета при температуре 620°С, нагрев при температуре 810°C и последующую прокатку со степенью деформации не менее 25%, удаление окалины и последующую холодную прокатку (US 340705022, 10.1968).

Известен способ получения биметаллической ленты никель-латунь-никель, включающий подготовку поверхности латунной и никелевых лент, совместную прокатку с обжатием 50-80%, термическую обработку, прокатку на окончательный размер с обжатием 10%, отжиг, дрессировку и отделку (SU 1142246 А, 28.02.85).

Известен способ горячей пакетной прокатки слоистых листов и плит с внутренними слоями из нержавеющей стали и внешними слоями из алюминиевых сплавов, пластичность которых при температуре нагрева под прокатку более чем в 1,3 раза превышает пластичность внутренних слоев из нержавеющей стали. Способ содержит подготовку контактных поверхностей, сборку симметричных пакетов, нагрев и многопроходную прокатку, а непосредственно перед горячей прокаткой проводят захолаживание алюминиевых составляющих пакета до температуры, равной (0,70÷0,77) температуры нагрева пакета (RU 2492034 С1, 10.09.2013).

Известен способ изготовления слоистого материала, заключающийся в том, что заготовку из стали или сплава металлов подвергают пластической деформации, которую проводят, по крайней мере, в двух направлениях, причем деформация в одном направлении превышает деформацию в другом направлении не менее чем в три раза, а алгебраическая сумма деформаций во всех направлениях равна не менее 250%. Заготовку из циркониевого сплава после деформации подвергают отжигу в вакуумной печи, причем температуру отжига выбирают не менее чем на 50°C выше, а время проведения отжига - не менее чем в 1,5 раза больше, чем предписано техническими условиями при отжиге циркония (RU 2002132068 А, 27.05.2004).

Известен способ получения биметаллов из низколегированной стали и алюминиевых сплавов, включающий нагрев алюминиевой заготовки, предварительно плакированной слоем технически чистого алюминия, до температуры, равной 0,65-0,75 температуры плавления алюминия, сборку пакета, состоящего из холодной стальной и нагретой алюминиевой заготовок, совместную прокатку пакета за один проход с обжатием 65-80% и термическую обработку, причем перед сборкой пакета проводят механическую обработку контактной поверхности стальной заготовки с удельным давлением 0,5-8,5 МПа, при этом образуют перекрещивающийся рельеф, острый угол которого составляет от 20 до 70°, а высота неровностей профиля R_max находится в пределах 0,05-0,2 толщины плакирующего слоя алюминиевой заготовки (RU 2368475 С1, 27.09.2009).

Известен способ изготовления биметалла, включающий совместную холодную прокатку заготовок с обжатием за один проход и подачей импульсов электрического тока в зону деформации непосредственно через изолированные друг от друга валки с амплитудным значением плотности тока J_m=(5-10)·10⁵ А/см², частотой следования импульсов f=(0,07-2,5) кГц, и длительностью импульсов t_имп=(0,2-5)·10^-3 с, при этом при прокатке осуществляют контроль прочности соединения слоев получаемого биметалла (RU 2356711 С1, 25.05.2009).

Известен способ изготовления биметаллической композиции из многослойных материалов в рулонах совместной пластической деформацией, в котором в качестве материала покрытия в биметаллической композиции выбраны медно-никелевый сплав Cu75Ni25, обеспечивающий белый цвет, никелевая латунь ЛН75-5, дающая золотисто-желтый цвет, или медь, дающая красный цвет. В качестве материала основного слоя используют никель или медно-никелевый сплав, при этом толщина плакирующих слоев составляет 40,0-49% с каждой стороны, а толщина основного слоя - 2,0-20,0% от толщины композиции. Составляющие биметаллической композиции подвергают обезжириванию и травлению, совместной пластической деформации со степенью деформации 60-70%, термической обработке при температуре 500-670°C с последующим охлаждением до температуры не выше 150°C, окончательной холодной прокатке со степенью деформации 32-45% (RU 2152858 С1, 20.07.2000).

Известен способ получения плоских биметаллических материалов, заключающийся в подготовке контактных поверхностей соединяемых металлов и их совместном деформировании при перемещении одного из инструментов с большей скоростью движения, причем при совместном деформировании металл, имеющий меньшую толщину, располагают со стороны инструмента, имеющего большую скорость движения (RU 2082575 С1, 27.06.1997).

Известен способ изготовления биметаллической композиции, состоящей из медной основы с содержанием примесей не более 0,1%, покрытой медно-никелевым сплавом с содержанием никеля 18-20%, суммарной толщиной покрытия 4-20% от толщины основного слоя, и способ получения биметалла, включающий подготовку поверхностей составляющих слоев, их совместную пластическую деформацию со степенью деформации в плакирующем проходе 2,4-2,7, термическую обработку, холодную прокатку со степенью деформации не менее 1,2, отжиг при температуре металла 370-480°C (RU 2122930 С1, 10.12.1998).

Известен способ изготовления биметаллических лент, включающий подготовку лент из стали и томпака и совместимую прокатку, причем в качестве исходных материалов используют стальную горячекатаную ленту и ленту из томпака с соотношением пределов текучести материалов от 0,74 до 0,84 и толщины от 0,053 до 0,06, совместную холодную прокатку со степенью деформации не меньше, чем определяемой из выражения с=54,39+37,11 (Н_т/Н_ст), где с - степень деформации, Н_т/Н_ст - отношение исходных толщин томпака и стали; т/ст - отношение исходных пределов текучести томпака и стали (RU 2119853 С1, 10.10.1998).

Известен способ изготовления биметалла медно-никелевый сплав-сталь-медно-никелевый сплав, включающий подготовку поверхности стальной и двух медно-никелевых лент, их совместную пластическую деформацию, охлаждение, холодную прокатку, обезжиривание, отжиг, дрессировку и последующую отделку готового проката биметалла, причем степень деформации в плакирующем проходе выбирают в интервале от 58 до 64%, охлаждение подката производят до температуры окружающей среды, холодную прокатку ведут до окончательного размера, термическую обработку проводят в интервале температур от 680°C до 720°C с последующим охлаждением в печи до температуры не выше 140°C (RU 2000100468 А, 20.01.2001).

Наиболее близким аналогом является способ производства биметаллического проката драгоценных металлов, который включает изготовление полос из золота и серебра, полученные заготовки из золота и серебра прокатывают, при этом прокатку каждой полосы до заданной толщины осуществляют путем ее чередования с отжигом, после проведенных операций осуществляют диффузионное соединение полученных заготовок, далее соединенные заготовки прокатывают до заданной толщины (RU 2460616 С1, 10.09.2012).

Данный способ предназначен для производства ограниченного по номенклатуре биметаллического полуфабриката проката сплавов, в частности золота ЗЛСрМ 585-80 и серебра СрМ 925. Прокат предназначен для изготовления деталей ювелирных изделий и самих изделий в различных технологиях: выпиливание, штамповка, чеканка, выдавливание и лазерный раскрой. Недостатком известного способа по патенту RU 2460616 С1 является его сложность, связанная с необходимостью применения отжига. При этом получение проката из заготовок, выполненных из других металлов, кроме указанных в известном способе, исключается. Получение других видов проката, выполненных из других металлов, связано с переналадкой оборудования, что снижает универсальность способа и также повышает его трудоемкость. Другим недостатком известного способа является то, что в процессе производства изделий образуется значительное количество отходов в виде обрезков и стружки. По принятым стандартам производства такие отходы исключают возможность использования их в оборотную плавку, как это производится в других сферах, указанный вид отходов направляется в иной процесс переработки (аффинаж), создающий дополнительные затраты на переработку отходов и извлечение из них золота и драгоценных металлов.

Техническим результатом способа является его упрощение и обеспечение возможности использования для производства биметаллического проката широкой номенклатуры.

Технический результат получен способом изготовления биметаллического проката, заключающимся в диффузном соединении между собой лицевого слоя заготовки проката из золота и внутреннего слоя заготовки проката из цветного металла, причем толщину t₁ лицевого слоя выбирают в зависимости от толщины t₂ внутреннего слоя из соотношения t₁=(0,05-19)t₂, при соединении слоев заготовок смежно расположенные заготовки прижимают друг к другу и одновременно нагревают до температуры в пределах 600-950°C, выдерживают слои в сжатом и нагретом состоянии и после этого в нагретом состоянии сжатые слои прокатывают валами до толщины в пределах 5,00-0,10 мм.

Лицевой слой проката изготавливают в виде полосы из золота, а внутренний слой заготовки проката изготавливают в виде полосы из платины, палладия, иридия, родия, или из серебра и серебряных сплавов, или из медных сплавов, в частности латуни, мельхиора, бронзы. Данный способ исключает использование припоя.

Способ осуществляют следующим образом. Изготавливают первую заготовку проката - его лицевой слой в виде полосы из золота проб 375 или 585, или 750, или 999,9. Толщину первого слоя выбирают в зависимости от толщины второго слоя в пределах t₁=(0,05-19)t₂. Изготавливают вторую заготовку проката в виде полосы - второй, внутренний, слой проката.

Второй слой проката изготавливают из других металлов платиновой группы, или из серебра, или из серебряных сплавов проб 500, 750, 770, 800, 875, 900, 916, 925, 940, 950, 960, 970, 999 и 999,9, или из медных сплавов, в частности латуни, мельхиора и бронзы, или из легкоплавких металлов и сплавов с температурой плавления от 250°C до 630°C.

При этом толщину и массу второго внутреннего слоя заготовки проката выбирают в указанной зависимости толщин, а также от соотношения массы первого лицевого слоя заготовки проката в пределах, мас. % - 95-5 от общей массы двух слоев заготовок проката.

При соединении слоев заготовки проката первый и второй слои заготовок, их полосы, располагают в печи сложенными так, что они плотно прилегают друг к другу соединяемыми поверхностями, например в печи типа «Solo», или в статической печи, или внепрерывных ленточных печах, исключающих окисления слов металла в местах соединения.

В печи полосы заготовок проката одновременно нагревают и сжимают в направлении друг к другу, нагревание полос осуществляют до температуры в пределах 600-950°C, температуру выбирают в зависимости от вида металла второго внутреннего слоя, из которого выполнена вторая, внутренняя полоса заготовки.

Выдерживают полосы заготовок проката в сжатом и нагретом состоянии в течение заданного периода времени, зависящего от вида металла внутреннего слоя заготовки проката. В процессе выдержки полос в сжатом и нагретом состоянии указанные разнородные металлы свариваются за счет диффузии - взаимного проникновения атомов свариваемых слоев заготовок проката.

После проведенных операций соединенные между собой слои заготовок охлаждают до заданной условиями прокатки температуры, а затем их прокатывают валами до получения толщины готового к использованию биметаллического проката различных толщин в пределах от 5,00 мм до 0,10 мм.

Изменяют один вид металла на другие виды металла внутреннего слоя заготовки, повторяют вышеописанные операции и получают множество видов проката широкой номенклатуры, которая в большей мере отвечает требованиям ювелирного производства.

Опытным путем при испытании образцов способа были испытаны образцы проката множества указанных видов металла, и их сплавов и были установлены опытным путем пределы толщин лицевого и внутреннего слоев проката, причем пределы определены по критериям прочности соединенных слоев и качества их поверхностей после прокатки. За пределами вышеуказанного соотношения толщин слоев проката прочность соединенных слоев и качество их поверхностей снижались.

Способ позволяет получать биметаллический прокат сравнительно более широкой номенклатуры, причем такой прокат имеет первый слой золота пробы 375, 585, 750 и 999,9 и второй слой из других металлов, в частности из металлов платиновой группы, цветных металлов и их сплавов. Данный способ имеет минимально возможное число операций, что существенно его упрощает, а полученный данным способом прокат наиболее полно удовлетворяет требованиям производства из него часов, сувенирных изделий, посуды, столовых приборов, бижутерии, различных ювелирных изделий в комбинации с другими элементами отделки. При этом указанные пробы золота используют в прокате для формирования лицевого слоя драгоценного металла, а второй, внутренний, слой проката выполнен из других драгоценных или иных металлов.

Способ может быть использован при изготовлении биметаллического проката для изготовления ювелирных изделий, часов, сувенирных изделий, посуды, столовых приборов, церковных украшений. Соединяют между собой диффузным путем лицевой слой заготовки проката из золота и внутренний слой заготовки проката из цветного металла. Толщину t₁ лицевого слоя выбирают в зависимости от толщины t₂ внутреннего слоя из соотношения t₁=(0,05-19)t₂. При соединении слоев одновременно прижимают друг к другу смежно расположенные заготовки и нагревают их до температуры в пределах 600-950°C. Выдерживают слои в сжатом и нагретом состоянии и после этого в нагретом состоянии сжатые слои прокатывают валами до толщины в пределах 5,00-0,10 мм. Лицевой слой заготовки изготавливают в виде полосы из золота, а внутренний слой заготовки проката изготавливают в виде пластины из металла платиновой группы, или из серебра и его сплавов, или из цветных металлов и их сплавов. Способ обеспечивает возможность производства проката широкой номенклатуры и высокой прочности. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления биметаллического проката, включающий диффузное соединение между собой лицевого слоя заготовки проката из золота и внутреннего слоя заготовки проката из цветного металла, отличающийся тем, что толщину t₁ лицевого слоя выбирают в зависимости от толщины t₂ внутреннего слоя из соотношения t₁=(0,05-19)t₂, при соединении слоев заготовок смежно расположенные заготовки прижимают друг к другу и одновременно нагревают до температуры в пределах 600-950°C, выдерживают слои в сжатом и нагретом состоянии и после этого в нагретом состоянии сжатые слои прокатывают валами до толщины в пределах 5,00-0,10 мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лицевой слой проката изготавливают в виде полосы из золота, а внутренний слой заготовки проката изготавливают в виде полосы из платины, или палладия, или иридия, или родия, или из серебра и серебряных сплавов, или из медных сплавов, в частности латуни, мельхиора, бронзы.