СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТРУБЫ Российский патент 2016 года по МПК B23K20/14 B23K101/06 B32B7/04 

Изобретение относится к области изготовления многослойных труб, в частности к изготовлению биметаллических труб.

Уровень техники

Известен способ изготовления биметаллических изделий путем формования изделия из биметаллической полосы, при этом при изготовлении биметаллической полосы подготавливают первую металлическую полосу, например из сплава золота, с нанесенным на нее слоем припоя, подготавливают вторую металлическую полосу, например из сплава серебра, а затем осуществляют пайку указанных полос и прокатку полученного биметалла до заданной толщины (патент РФ на изобретение №2460616, В23K 20/04, опубликован 10.09.2012). Данный способ позволяет эффективно получить биметаллическую полосу, но, если требуется из этой биметаллической полосы изготовить трубчатое изделие, то неизбежно ухудшение прочностных характеристик биметаллической трубы и фактуры трубы в зоне соединения кромок биметаллической полосы.

Известен способ изготовления биметаллических труб пайкой, в соответствии с которым изготавливают внутреннюю трубчатую заготовку с нанесенным на ее внешнюю поверхность слоем припоя, изготавливают наружную трубчатую заготовку, внутренний диаметр которой меньше наружного диаметра внутренней трубчатой заготовки со слоем припоя, но больше чем наружный диаметр внутренней трубчатой заготовки без слоя припоя, нагревают наружную трубчатую заготовку до температуры пайки, производят коаксиальную сборку наружной и внутренней трубчатых заготовок путем осевого перемещения нагретой наружной трубчатой заготовки относительно внутренней трубчатой заготовки, выполняют пайку наружной и внутренней трубчатых заготовок с последующим охлаждением биметаллической трубы (патент РФ на изобретение №2537979, В23K 1/00, опубликован 10.01.2015). В данном изобретении трудно добиться высоких прочностных характеристик соединения трубчатых заготовок, поскольку прочность припоя всегда меньше прочности материала трубчатых заготовок. Кроме того, сложно получить биметаллическую трубу с точными геометрическими размерами, так как при калибровке полученной биметаллической трубы возможны нарушения сплошности паяного соединения.

Известен способ изготовления биметаллических труб, в соответствии с которым изготавливают наружную трубчатую заготовку, наносят на ее внутреннюю поверхность слой герметика, изготавливают внутреннюю трубчатую заготовку, производят коаксиальную сборку наружной и внутренней трубчатых заготовок путем осевого перемещения, обжимают трубы, совместно обеспечивая их скрепление между собой, а затем осуществляют полимеризацию герметика (патент РФ на изобретение №2344266, В23K 20/16, опубликован 20.01.2009). В данном изобретении трудно добиться высоких прочностных характеристик соединения трубчатых заготовок.

Широко используются способы изготовления биметаллических труб с использованием диффузионной сварки, которые предусматривают изготовление внутренней трубчатой заготовки, изготовление наружной трубчатой заготовки, внутренний диаметр которой больше наружного диаметра внутренней трубчатой заготовки, коаксиальную сборку наружной и внутренней трубчатых заготовок, нагрев коаксиальной сборки до температуры меньшей температуры плавления трубчатых заготовок, деформацию нагретых трубчатых заготовок до контакта смежных поверхностей трубчатых заготовок с нагружением зоны контакта сжимающими усилиями, обеспечивающими диффузионную сварку прилегающих поверхностей. Такой способ описан в патенте РФ №2301732, МПК В23K 20/14, опубл. 27.06.2007 г.). В данном способе изготовления биметаллической трубы, как и в других известных способах диффузионной сварки, деформацию трубчатых заготовок и нагрев до температуры диффузионной сварки выполняют одновременно, что усложняет изготовление биметаллической трубы. Кроме того, при изготовлении тонкостенных труб сложно обеспечить равномерную деформацию стенок наружной и внутренней трубчатых заготовки в условиях нагрева заготовок до температуры диффузионной сварки.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание эффективного способа изготовления биметаллической трубы, позволяющего изготавливать биметаллические трубы, в том числе тонкостенные биметаллические трубы, с высоким качеством диффузионного сварного соединения. Дополнительной задачей настоящего способа является разработка способа изготовления биметаллических труб.

Для решения поставленной задачи предлагается способ изготовления биметаллической трубы, в соответствии с которым изготавливают наружную трубчатую заготовку из одного металла, изготавливают внутреннюю трубчатую заготовку из другого металла, при этом внутренняя трубчатая заготовка имеет наружный диаметр меньше чем внутренний диаметр наружной трубчатой заготовки, при этом одна из трубчатых заготовок выполнена из металлического сплава с меньшей температурой плавления, чем другая трубчатая заготовка, при этом трубчатую заготовку с меньшей температурой плавления выполняют из первого металлического сплава, компоненты которого образуют твердый раствор с низкоплавкой эвтектической фазой, а трубчатую заготовку с более высокой температурой плавления выполняют из второго металлического сплава с присадкой металла, формирующего эвтектическую фазу в первом металлическом сплаве, устанавливают наружную трубчатую заготовку коаксиально внутренней трубчатой заготовке с зазором между внутренней поверхностью наружной трубчатой заготовки и наружной поверхностью внутренней трубчатой заготовки, а затем обжимают наружную трубчатую заготовку до плотного контакта смежных поверхностей наружной и внутренней трубчатых заготовок с формированием биметаллической трубчатой заготовки, после чего выполняют диффузионную сварку прилегающих поверхностей этой биметаллической трубчатой заготовки путем нагрева биметаллической трубчатой заготовки до температуры выше температуры плавления низкоплавкой эвтектической фазы, но ниже температуры плавления первого металлического сплава, и охлаждают полученную биметаллической трубы после диффузионной сварки.

Кроме того, в предлагаемом способе изготовления биметаллической трубы обжатие наружной трубчатой заготовки выполняют путем волочения сборки из наружной и внутренней трубчатых заготовок через фильеру.

При этом при обжатии наружной трубчатой оболочки волочение выполняют при комнатной температуре.

При этом при обжатии наружной трубчатой заготовки волочение выполняют с использованием жесткого стержня, установленного во внутренней трубчатой заготовке.

Кроме того, в предлагаемом способе изготовления биметаллической трубы после диффузионной сварки биметаллическую трубу подвергают калибровке до получения заданного наружного диаметра биметаллической трубы.

При этом калибровку выполняют путем волочения биметаллической трубы через калибрующие фильеры.

При этом калибровку выполняют при комнатной температуре.

Предпочтительно, в предлагаемом способе изготовления биметаллической трубы обращенные друг к другу поверхности первой и второй трубчатых заготовок изготавливают гладкими.

Предпочтительно, в предлагаемом способе изготовления биметаллической трубы зазор между внутренней поверхностью наружной трубчатой заготовки и наружной поверхностью внутренней трубчатой заготовки задают равным 0,1-0,5 мм.

Кроме того, в предлагаемом способе изготовления биметаллической трубы для изготовления трубчатой заготовки с меньшей температурой плавления используют доэвтектические сплавы серебра.

Кроме того, в предлагаемом способе изготовления биметаллической трубы для изготовления трубчатой заготовки с большей температурой плавления используют сплавы на основе золота с присадкой серебра не менее 5% по весу

Кроме того, в предлагаемом способе изготовления биметаллической трубы для изготовления трубчатой заготовки с большей температурой плавления используют сплавы палладия с присадкой серебра не менее 5% по весу

Особенность заявленного способа изготовления биметаллической трубы заключается в том, что деформирование сборки из наружной трубчатой заготовки и внутренней заготовки выполняют без нагрева трубчатых заготовок или зоны контакта трубчатых заготовок путем холодного деформирования наружной трубчатой заготовки до достижения контакта между внутренней поверхностью наружной трубчатой заготовки и внешней поверхностью внутренней трубчатой заготовки с формированием сплошной плотной контактной зоны между ними, благодаря чему получают биметаллическую заготовку, как единую деталь. Эту заготовку можно полностью проверить на качество контакта двух сопрягаемых поверхностей и при необходимости дополнительно обжать биметаллическую трубчатую заготовку до выполнения нагрева этой заготовки. Затем проверенную биметаллическую заготовку нагревают до температуры выше температуры плавления низкоплавкой эвтектической фазы в материале одной из трубчатых заготовок, при которой происходит образование диффузионного сварного соединения, что приводит к образования прослойки из расплавленного металла между прилегающими поверхностями трубчатых заготовок. При этом, поскольку в металле второй трубчатой заготовки имеется присадка из металла, формирующего низкоплавкую эвтектическую фазу, то легко формируются металлические связи между наружной и внутренней трубчатыми заготовками, что повышает прочность диффузионного сварного соединения. В то же время сохраняется структура металла в обеих трубчатых заготовках.

Предлагаемая в заявке технология выполнения обжатия сборки из двух трубчатых заготовок дает возможность осуществлять контроль за обжатием трубчатых заготовок, а калибровка биметаллической трубы дает возможность получать высокоточные биметаллические трубы, что особенно важно при изготовлении ювелирных изделий из драгоценных металлов и их сплавов золота, серебра и палладия.

Это способствует повышению прочности диффузионного сварного соединения, что повышает качество биметаллической трубы.

Краткое описание чертежей.

Чертежи заявки представлены в виде, достаточном для понимания сущности изобретения специалистами в данной области техники и ни в какой мере не ограничивают объема защиты изобретения. На чертежах одни и те же элементы имеют одинаковые номера позиций.

Следует понимать, что на рисунках показаны те операции, которые требуют пояснения, но отдельные операции предлагаемого способа понятны для специалиста и без рисунков и они не поясняются рисунками.

На Фиг. 1 показана внутренняя трубчатая заготовка.

На Фиг. 2 показана наружная трубчатая заготовка.

На Фиг. 3 показана сборка из наружной и внутренней трубчатых заготовок.

На Фиг. 4 показана биметаллическая трубчатая заготовка после обжатия.

На Фиг. 5 показана биметаллическая труба после выполнения диффузионной сварки.

На Фиг. 6 показан в увеличенном размере фрагмент биметаллической трубы.

Примеры осуществления способа

В качестве примера реализации предлагаемого способа будет рассмотрен способ изготовления биметаллической трубы с использованием драгоценных металлов и их сплавов, например, наружный слой биметаллической трубы изготовлен из сплава на основе золота, например, сплавы из золота и серебра; золота, серебра и меди, с содержанием золота не менее 50% по весу и серебра не менее 5% по весу, а внутренний слой изготовлен из сплава на основе серебра, например, из сплавов серебра и меди - Ag875*, Ag925*, Ag900*.

Металлические сплавы на основе серебра, например сплав Ag875*, Ag925*, Ag900*, относятся к доэвтектическим сплавам, которые содержат обогащенные серебром кристаллы α-фазы и низкоплавкую эвтектическую фазу на границах кристаллов. При нагреве сплав начинает плавиться по границам зерен (низкоплавкая эвтектическая фаза), начиная с температуры 760°С, и переходит в полностью расплавленное состояние при температуре 840°С. Сплавы из золота 583* плавятся при температуре (835°С до 926°С) и содержат присадку из серебра не менее 8%. Для формирования достаточно прочного диффузионного сварного шва достаточно иметь в составе сплава из золота 5% присадки серебра, поэтому сплавы из золота 583* пригодны для изготовления биметаллической труб. Соответственно можно подобрать сплав из золота (второй металлический сплав), у которого температура плавления выше температуры плавления сплав из серебра (первый металлический сплав).

На фиг. 1 показана внутренняя трубчатая заготовка 1 для изготовления биметаллической трубы. Внутреннюю трубчатую заготовку изготавливают в форме цилиндра с наружным диаметром D₁, внутренним диаметром d₁ и толщиной стенки S₁. Заготовка 1 изготовлена из сплава Ag925* с температурой плавления от 760°С до 800°С.

На фиг. 2 показана наружная трубчатая заготовка 2 для изготовления биметаллической трубы. Наружную трубчатую заготовка изготавливают в форме цилиндра с наружным диаметром D₂, внутренним диаметром d₂ и толщиной стенки S₂. Заготовка 2 изготовлена из золота 583* и содержит, в зависимости от марки сплава, серебра от 8% до 40% по весу, с температурой плавления от 845°С до 926°С.

Внутренний диаметр d₂ наружной трубчатой заготовки 2 больше наружного диаметра D₁ внутренней трубчатой заготовки 1.

Наружную трубчатую заготовку 2 устанавливают коаксиально внутренней трубчатой заготовке, как показано на фиг. 3. Учитывая разницу в диаметрах d₂ и D₁, между трубами имеется зазор Δ,

Δ=(d₂-D₁)/2.

Величина зазора определяется в основном размерами труб, но может приниматься во внимание и требуемая деформация труб при обжатии. Обычно зазор изменяется в пределах Δ=0,1-0,5 мм, но для труб большого диаметра зазор может быть увеличен до 1 мм и более.

Как правило, поверхность трубчатых заготовок 1 и 2 выполняют гладкой, но не исключено, что, по меньшей мере, одна или обе контактирующие поверхности трубчатых заготовок будут шероховатыми.

Полученную сборку обжимают волочением через фильеру. При этом обжимают наружную трубчатую заготовку 2, воздействуя на ее наружный диаметр D₂. При этом уменьшается ее внутренний диаметр и внутренняя цилиндрическая поверхность наружной трубчатой заготовки 2 вступает в контакт с наружной цилиндрической поверхностью внутренней трубчатой заготовки 1 и давит на нее, образуя плотный контакт между этими двумя поверхностями. Для тонкостенных оболочек при выполнения волочения во внутренний канал внутренней трубчатой заготовки 1 вставляют жесткий стержень. Волочение выполняют при комнатной температуре. Таким образом, формируется биметаллическая трубчатая заготовка 3.

Выполнение волочения при комнатной температуре существенно упрощает технологический процесс.

Сформированную биметаллическую трубчатую заготовку 3 помещают в печь и выполняют диффузионную сварку заготовки. Для этого заготовку нагревают выше температуры, при которой начинается плавление эвтектической фазы на границах зерен в первом металлическом сплаве, из которого изготовлена внутренняя трубчатая заготовка 1, но весь первый металлический сплав еще не расплавится. Второй металлический сплав, из которого изготовлена наружная трубчатая заготовка 2 остается при этом в твердом состоянии. В зоне контакта внутренней поверхности наружной трубчатой заготовки 2 и внешней поверхности внутренней трубчатой заготовки 1 из эвтектической фазы образуется тонкая пленка из жидкого металла, фактически полностью формируя сварочный шов между наружной трубчатой заготовкой 2 и внутренней трубчатой заготовкой 1. При этом, поскольку в первом металлическом сплаве имеется присадка из металла формирующего эвтектическую фазу, то формируются устойчивые металлические связи между вторым металлом, из которого изготовлена наружная трубчатая заготовка 2, жидким металлическим слоем в зоне контакта трубчатых заготовок и первым металлом, из которого изготовлена внутренняя трубчатая заготовка, которые сохраняются при охлаждении биметаллической трубчатой заготовки после завершения диффузионной сварки. Далее биметаллическую трубчатую заготовку охлаждают и получают биметаллическую трубу 4, в которой в зоне контакта сформирован диффузионный слой 5, являющийся диффузионным сварочным швом. Так как оба металла, используемые при изготовлении трубчатых заготовок, не переходят в жидкое состояние, то в процессе формирования диффузионного слоя 5 сохраняется жесткость биметаллической трубчатой заготовки 3, что дает возможность использовать для формирования диффузионного слоя 5 обычные нагревательные печи, что упрощает технологию изготовления биметаллических труб.

При необходимости, если имеются жесткие требования к диаметру биметаллической трубы 4, то после выполнения диффузионной сварки биметаллическую трубу подвергают калибровке до получения заданного наружного диаметра D₃ (внутреннего диаметра d₃). Калибровку выполняют путем волочения биметаллической трубы через калибрующие фильеры, преимущественно при комнатной температуре.

В рассматриваемом примере биметаллическую трубчатую заготовку нагревали до температуры от 770°С до 790°С, что соответствует диапазону температур плавления эвтектической фазы сплава Ag925*, но ниже температуры перехода сплава Ag925* в жидкое состояние (800°С) и ниже температуры плавления сплава из золота 583* (835°С до 926°С).

В рассматриваемом примере толщина стенки S₁ внутренней трубчатой заготовки 1 равна толщине стенки S₂ наружной трубчатой заготовки 2, но это условие не обязательное, и толщина стенки S₁ внутренней трубчатой заготовки может быть больше, чем толщина стенки S₂ наружной трубчатой заготовки и наоборот.

Хотя приведенный выше пример относится к изготовлению биметаллической трубы из сплавов серебра и золота, в предлагаемом способе изготовления биметаллической трубы могут использоваться и другие сплавы, в том числе сплавы палладия, например сплавы ПдСр-86-20 и ПдСр-60-40 (ГОСТ 13462-2010) с температурой плавления 1340°С-1440°С, или сплавы ПД-190 и ПД-250 Московского завода специальных сплавов с температурой плавления 1100°С - 1200°C, и т.д.

Изобретение может быть использовано для изготовления многослойных труб, в том числе тонкостенных, в частности биметаллических труб из драгоценных металлов. Трубчатую заготовку с меньшей температурой плавления выполняют из первого металлического сплава, компоненты которого образуют твердый раствор с низкоплавкой эвтектической фазой. Вторую трубчатую заготовку выполняют из второго металлического сплава с присадкой металла, формирующего эвтектическую фазу в первом металлическом сплаве. Устанавливают наружную трубчатую заготовку коаксиально внутренней трубчатой заготовке и обжимают наружную трубчатую заготовку до плотного контакта их смежных поверхностей с формированием биметаллической трубчатой заготовки. Выполняют диффузионную сварку путем нагрева биметаллической трубчатой заготовки до температуры выше температуры плавления низкоплавкой эвтектической фазы, но ниже температуры плавления первого металлического сплава. Охлаждают полученную биметаллическую трубу после диффузионной сварки. Способ обеспечивает высокую прочность диффузионного соединения. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления биметаллической трубы, в котором изготавливают наружную трубчатую заготовку из одного металла, изготавливают внутреннюю трубчатую заготовку из другого металла, при этом внутренняя трубчатая заготовка имеет наружный диаметр меньше, чем внутренний диаметр наружной трубчатой заготовки, при этом одна из трубчатых заготовок выполнена из металлического сплава с меньшей температурой плавления, чем другая трубчатая заготовка, при этом трубчатую заготовку с меньшей температурой плавления выполняют из первого металлического сплава, компоненты которого образуют твердый раствор с низкоплавкой эвтектической фазой, а трубчатую заготовку с более высокой температурой плавления выполняют из второго металлического сплава с присадкой металла, формирующего эвтектическую фазу в первом металлическом сплаве, устанавливают наружную трубчатую заготовку коаксиально внутренней трубчатой заготовке с зазором между внутренней поверхностью наружной трубчатой заготовки и наружной поверхностью внутренней трубчатой заготовки, а затем обжимают наружную трубчатую заготовку до плотного контакта смежных поверхностей наружной и внутренней трубчатых заготовок с формированием биметаллической трубчатой заготовки, после чего выполняют диффузионную сварку прилегающих поверхностей этой биметаллической трубчатой заготовки путем нагрева биметаллической трубчатой заготовки до температуры выше температуры плавления низкоплавкой эвтектической фазы и ниже температуры плавления первого металлического сплава, и охлаждают полученную биметаллическую трубу после диффузионной сварки.

2. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 1, отличающийся тем, что обжатие наружной трубчатой заготовки выполняют путем волочения сборки из наружной и внутренней трубчатых заготовок через фильеру.

3. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 2, отличающийся тем, что при обжатии наружной трубчатой оболочки волочение выполняют при комнатной температуре.

4. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 2, отличающийся тем, что при обжатии наружной трубчатой заготовки волочение выполняют с использованием жесткого стержня, установленного во внутренней трубчатой заготовке.

5. Способ изготовления биметаллической трубы по пп. 1-4, отличающийся тем, что после диффузионной сварки биметаллическую трубу подвергают калибровке до получения заданного наружного диаметра биметаллической трубы.

6. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 5, отличающийся тем, что калибровку выполняют путем волочения биметаллической трубы через калибрующие фильеры.

7. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 6, отличающийся тем, что калибровку выполняют при комнатной температуре.

8. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 1, отличающийся тем, что обращенные друг к другу поверхности первой и второй трубчатых заготовок изготавливают гладкими.

9. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 1, отличающийся тем, что зазор между внутренней поверхностью наружной трубчатой заготовки и наружной поверхностью внутренней трубчатой заготовки задают равным 0,1-0,5 мм.

10. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 1, отличающийся тем, что для изготовления трубчатой заготовки с меньшей температурой плавления используют доэвтектические сплавы серебра.

11. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 1, отличающийся тем, что для изготовления трубчатой заготовки с большей температурой плавления используют сплавы на основе золота с присадкой серебра не менее 5% по весу.

12. Способ изготовления биметаллической трубы по п. 1, отличающийся тем, что для изготовления трубчатой заготовки с большей температурой плавления используют сплавы палладия с присадкой серебра не менее 5% по весу.