СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАКИРОВАННОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИСТА Российский патент 2017 года по МПК B23K20/04 B23K20/08 B32B7/04 

Изобретение относится к производству двух- и многослойных плакированных листов и плит горячей прокаткой с различными вариантами основного и плакирующего слоя (слоев) и может быть использовано в металлургии, машиностроении, нефтегазовой отрасли, строительстве мостов и железных дорог и других металлоемких отраслях промышленности, где применяются износостойкие и материалы с повышенной коррозионной стойкостью рабочих поверхностей и меньшей стоимостью в сравнении с целиковыми деталями из нержавеющей стали.

Известны различные способы получения плакированного металлического листа: электродуговая и электрошлаковая наплавка, сварка взрывом, пакетная прокатка.

Известен биметаллический стальной пакет и способ его изготовления, состоящий из заготовки основного слоя и листов верхнего и нижнего плакирующих слоев, собранных с образованием полок под сварку за счет разности длины и ширины заготовки и листов, соединенных по периметру сварными швами, при этом лист верхнего плакирующего слоя меньше заготовки основного слоя по длине и ширине на две ширины полки под сварку, определяемые по формуле Δ=(0,2-0,9)H_n, мм, где Δ - ширина полки под сварку; H_n - толщина листа плакирующего слоя, мм, а лист нижнего плакирующего слоя больше заготовки по длине и ширине на две ширины полки, равные 2Δ. Сварку пакета производят на монтажном столе с опорными роликами под давлением, создаваемым прижимным роликом, при этом сначала заваривают торцевую часть периметра каждого листа плакирующего слоя, прижатую роликом, затем продольную часть периметра листов в направлении относительного движения пакета и прижимного ролика, останавливают пакет или ролик при подходе к противоположному торцу листа и заваривают оставшуюся часть периметра, поджатую к поверхности основного слоя (патент РФ №2234400, приоритет от 22.05.2003, МПК В23К 20/04).

Недостатком известного способа является использование специализированной площадки с прижимными и опорными роликами, которые создают сложности при выполнении крановых операций и значительно увеличивают время на подготовку особенно крупногабаритного пакета.

Известен способ (патент РФ №2421312, приоритет от 16.09.2009, МПК В23К 20/04, В23К 20/08, В32В 7/04), согласно которому перед нагревом пакета и деформированием горячей прокаткой слои металла сваривают взрывом, при этом сварку взрывом осуществляют с относительной деформацией пакета 1,3-12%, а под относительной деформацией пакета понимают отношение величины сжатия пакета после сварки взрывом к высоте пакета до сварки взрывом.

Недостатком известного способа является необходимость перемещения толстых листов и слябов на полигоны для сварки взрывом, а затем их возврат на металлургический комбинат и дальнейший передел, кроме того, в случае использования слябов велика вероятность раскола заготовок при взрыве, т.к. не всегда в слябе обеспечивается 0 или 1 класс сплошности при контроле УЗК и малейший дефект приводит к браку. Также данный способ является непроизводительным и более дорогостоящим, т.к. надо наносить толстый слой коррозионно-стойкой стали на слябы или толстые листы и использовать большие объемы заряда.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления слоистой заготовки в виде полосы или листа из коррозионно-стойкой стали, состоящей из основного слоя из углеродистой стали или низколегированной стали, по меньшей мере, одного плакирующего слоя из коррозионно-стойкой стали и промежуточного слоя, включающий подготовку контактирующих поверхностей основного и плакирующего слоев, нанесение, по меньшей мере, на одну из контактирующих поверхностей промежуточного слоя из порошкового материала, содержащего порошок сплава никеля с кремнием и порошок металла, сборку пакета под горячую деформацию, нагрев пакета до температуры горячей деформации выше температуры плавления сплава никеля с кремнием в интервале 950-1250°С, горячую деформацию пакета с получением слоистой заготовки, раскатку слоистой заготовки в полосу или лист, отличающийся тем, что в порошковый материал для нанесения промежуточного слоя дополнительно включают порошок карбида металла с размером частиц от 2 до 40 мкм, а в качестве порошка металла используют порошок никеля с получением порошкового материала следующего состава, %: порошок сплава никеля с кремнием 55÷65 при содержании в нем кремния от 30 до 50 мас. %, порошок никеля 20÷25, порошок карбида металла 10÷25, а горячую деформацию пакета проводят при степени пластической деформации 0,12-0,6, при этом порошковый материал для нанесения промежуточного слоя содержит порошок карбида вольфрама, или ванадия, или титана с размером частиц от 15 до 30 мкм, который наносят на одну из контактирующих поверхностей газоплазменным напылением.

Недостатком известного способа является недостаточная прочность сцепления слоев, способ является менее производительным и дорогостоящим.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является возможность создания универсальной технологии производства многослойных плакированных листов и плит во всем диапазоне толщин (от 8 до 120 мм) с требуемой толщиной плакирующего слоя от 3 до 30% от общей толщины листа.

Технический результат состоит в разработке технологии получения двухслойных и многослойных листов и плит во всем диапазоне толщин от 8 до 120 мм с любым сочетанием марок сталей основного и плакирующих слоев.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления плакированного металлического листа, включающий подготовку контактных поверхностей плакирующего и плакируемого металлических листов, нанесение на плакирующий лист промежуточного слоя с получением промежуточной двухслойной заготовки, сборку пакета, его нагрев и деформирование горячей прокаткой до заданной толщины изготавливаемого плакированного металлического листа, состоит в том, что нанесение на плакирующий лист промежуточного слоя осуществляется приваркой взрывом листа металла, одинакового по химическому составу с металлом плакируемого листа и толщина которого меньше, чем толщина плакируемого листа, при этом при сборке пакета полученную промежуточную двухслойную заготовку размещают с одной или обеих сторон плакируемого листа. Перед горячей прокаткой производят сварку пакета, содержащего одну или две промежуточные двухслойные заготовки и плакируемый металлический лист, при этом размеры каждой промежуточной двухслойной заготовки больше или меньше размеров плакируемого листа на величину не менее величины катета сварного шва или размеры каждой промежуточной двухслойной заготовки равны размерам плакируемого листа. Перед сваркой пакета осуществляют подогрев заготовок до температуры не более 400°С, прокатку пакета осуществляют с единичным обжатием не менее 5%, при этом величина катета сварного шва составляет не менее 3 мм.

Заявленный способ позволяет получить как двух-, так и многослойные композиции различных сталей в масштабах серийного промышленного производства с высокой прочностью сцепления слоев после прокатки.

Формирование промежуточной двухслойной заготовки производится посредством сварки взрывом двух металлических слоев: высоколегированной трудносвариваемой стали и хорошо свариваемой низколегированной или углеродистой стали с удовлетворительной (пониженной) свариваемостью, который будет являться плакируемым слоем будущего многослойного пакета. Предварительная сварка плакирующего и плакируемого листа меньшей толщины имеет ряд преимуществ в сравнении с наплавкой плакирующего слоя непосредственно на крупногабаритный сляб:

- менее трудоемкий, менее затратный и более безопасный процесс сварки взрывом за счет меньших габаритов свариваемых заготовок и возможность осуществления при меньшей мощности взрыва (чем больше толщина привариваемого слоя, тем большей мощности требуется взрыв);

- сокращение затрат по транспортировке на полигон негабаритных заготовок и их перемещению с применением техники малой грузоподъемности.

Операция последующей сварки плакируемого листа с промежуточными двухслойными заготовками позволяет получать многослойный пакет, в том числе с различными видами плакирующих слоев в зависимости от назначения и области применения будущего листа или плиты. При этом наплавляемый слой соответствует плакируемому листу будущего пакета.

Основной особенностью формирования пакета является приварка промежуточных двухслойных заготовок к плакируемому листу таким образом, чтобы совмещались одинаковые по химическому составу слои свариваемых заготовок. Это условие обеспечивает: идеальную сварку однородных материалов в процессе последующей горячей прокатки, равномерность химического состава по всей толщине основного слоя будущего листа или плиты.

Предлагаемое техническое решение предполагает несколько вариантов приварки промежуточных двухслойных заготовок в части габаритных размеров составных частей пакета:

1) размер по длине и ширине каждой промежуточной двухслойной заготовки устанавливается больше аналогичных размеров плакируемого листа на величину, равную или более катета шва сварки пакета. Данный вариант наиболее предпочтителен для последующего нагрева перед прокаткой в печах с выкатным подом, тележками или колпакового типа, т.к. при нагреве в печах с шагающими балками или толкательного типа такие слябы могут создавать сложности при продвижении по зонам печи.

2) размер по длине и ширине каждой промежуточной двухслойной заготовки устанавливается меньше аналогичных размеров плакируемого листа на величину, равную или более катета шва сварки пакета. Данный вариант наиболее предпочтителен для последующего нагрева перед прокаткой в печах толкательного типа или с шагающими балками.

3) размер по длине и ширине каждой промежуточной двухслойной заготовки устанавливается равным аналогичным размерам плакируемого листа. При этом сварка осуществляется после снятия фаски с соприкасающихся поверхностей. Данный вариант подходит для любого типа нагревательных печей.

В случае получения броневых или износостойких плакированных листов или плит из закаливающихся сталей толщину слоя из хорошо свариваемой стали назначают из условия обеспечения при заданном режиме электродуговой сварки при обварке пакета нагрев трудносвариваемой стали до температуры не более 400°С. В случае прогрева этих сталей при электродуговой обварке пакета до температур больше указанной возможно образование трещин.

Величина катета шва сварки пакета выбирается из условия обеспечения надежности сварного пакета при его последующем нагреве и прокатке, исключая его расслоение в процессе данных операций. Минимально необходимая величина катета шва сварки составляет 3 мм. При значении данного показателя менее 3 мм не гарантируется надежное сцепление слоев пакета.

Для обеспечения гарантированной сплошности горячекатаного листа или плиты прокатку пакета осуществляют с единичным обжатием не менее 5%. При обжатии меньше указанного значения не происходит заварки внутренних дефектов составных частей пакета, которые возможны при их производстве, а также качественное сцепление плакирующего и основного слоя и соприкасающихся частей основного слоя.

Пример реализации

На лист плакирующего слоя заданной толщины из высоколегированной трудносвариваемой горячей прокаткой стали, например 08Х18Н10Т, или сплава предварительно сваркой взрывом наносят слой хорошо свариваемой методами горячей прокатки, например, стали 09Г2С или иной стали, в том числе свариваемой с подогревом, и получают двухслойный лист с модифицированной поверхностью. Промежуточную двухслойную заготовку выполняют размерами по длине и ширине больше или меньше листа (сляба) основного слоя на величину, равную или более катета шва сварки пакета электродуговой сваркой герметичным швом по периметру листов. Возможен вариант сварки заготовок одинакового размера по длине и ширине. При этом сварка пакета производится после предварительного снятия фаски.

Поверхность хорошо свариваемой стали промежуточной двухслойной заготовки зачищают до металлического блеска, обезжиривают и устанавливают на сборочный стол этим слоем вверх.

Одну поверхность плакируемого листа (сляба), например, марки 09Г2С зачищают до металлического блеска и обезжиривают. Затем плакируемый лист (сляб) устанавливают на плакирующий лист зачищенной стороной вниз так, чтобы края плакирующего слоя выступали равномерно по всему периметру на величину не менее катета шва сварки пакета электродуговой сваркой. После этого электродуговой сваркой производится сварка пакета герметичным швом по всему периметру. Аналогичным способом к плакируемому листу может быть приварена промежуточная двухслойная заготовка с другой стороны, при этом плакирующий слой может быть иным в зависимости от назначения готового проката. Готовый пакет подается в печь для нагрева и последующей горячей прокатки в заданный размер двухслойного листа.

Аналогичная последовательность операций проводится при сварке пакета, когда длина и ширина промежуточной двухслойной заготовки меньше соответствующих размеров основного слоя. В данном случае вниз укладывается плакируемый лист.

При горячей прокатке образуется бездефектное прочное соединение.

В качестве плакируемого листа могут быть трудно свариваемые горячей пакетной прокаткой стали, например броневая сталь 45ХСМ или конструкционная 12ХМ. В этом случае их поверхность модифицируют путем нанесения сваркой взрывом слоя хорошо свариваемой стали.

В случае получения броневых или износостойких биметаллов из закаливающихся сталей толщину слоя из хорошо свариваемой стали назначают из условия обеспечения при заданном режиме электродуговой сварки при обварке пакета нагрев трудносвариваемой стали до температуры не более 400°С.

Изобретение может быть использовано при производстве многослойных плакированных листов и плит горячей прокаткой с различными вариантами основного и плакирующего слоя (слоев), в частности, для изготовления листов с высокой коррозионной стойкостью рабочих поверхностей. После подготовки контактных поверхностей плакирующего и плакируемого металлических листов наносят на плакирующий лист приваркой взрывом промежуточный слой с получением промежуточной двухслойной заготовки. Собирают пакет, нагревают его и деформируют горячей прокаткой до заданной толщины изготавливаемого плакированного металлического листа. В качестве промежуточного слоя используют лист металла, одинаковый по химическому составу с металлом плакируемого листа и толщина которого меньше, чем толщина плакируемого листа. При сборке пакета полученную промежуточную двухслойную заготовку размещают с одной или обеих сторон плакируемого листа. 5 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ изготовления плакированного металлического листа, включающий подготовку контактных поверхностей плакирующего и плакируемого металлических листов, нанесение на плакирующий лист промежуточного слоя с получением промежуточной двухслойной заготовки, сборку пакета, его нагрев и деформирование горячей прокаткой до заданной толщины изготавливаемого плакированного металлического листа, отличающийся тем, что нанесение на плакирующий лист промежуточного слоя осуществляют приваркой взрывом листа металла, одинакового по химическому составу с металлом плакируемого листа и толщина которого меньше, чем толщина плакируемого листа, при этом при сборке пакета полученную промежуточную двухслойную заготовку размещают с одной или обеих сторон плакируемого листа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед горячей прокаткой производят сварку пакета, содержащего одну или две промежуточные двухслойные заготовки и плакируемый металлический лист, при этом размеры каждой промежуточной двухслойной заготовки больше или меньше размеров плакируемого листа на величину не менее величины катета сварного шва.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед горячей прокаткой производят сварку пакета, содержащего одну или две промежуточные двухслойные заготовки и плакируемый металлический лист, при этом размеры каждой промежуточной двухслойной заготовки равны размерам плакируемого листа.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что перед сваркой пакета осуществляют подогрев заготовок до температуры не более 400°С.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что величина катета сварного шва составляет не менее 3 мм.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прокатку пакета осуществляют с единичным обжатием не менее 5%.