Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Все способы получения композиционных материалов подразделяются на твердофазные, жидкофазные и осаждения. Рассмотрим основные технологические схемы указанных групп.
Твердофазные способы заключаются в предварительном совмещении (объединении) армирующих элементов и матрицы и их последующем компактировании в изделие с помощью горячего прессования, ковки, прокатки, диффузионной сварки, экструзии и других методов.
Для изготовления композиционных материалов, армированных высокопрочными частицами, непрерывными и короткими волокнами, а также матами и сетками из волокон, наибольшее применение находят твердофазные методы порошковой металлургии. Эти методы позволяют получать композиты с заданной пористостью, в широком диапазоне изменять концентрацию упрочняющего компонента. К недостаткам этих методов следует отнести трудности равномерного распределения армирующей фазы в объеме матрицы в ходе подготовки шихты, а также возможность повреждения хрупкой арматуры волокон при компактировании. Подготовка шихты осуществляется механическим и химическим смешиванием порошка матричного материала с упрочняющими волокнами или частицами. Для уплотнения материала шихты, придания детали необходимой формы и размеров осуществляется прессование на прессах или молотах, гидростатическим способом, прокаткой, экструзией либо с помощью вибрации или взрыва.
В случае прессования в пресс-формах давление на шихту передается через пуансоны. В процессе прессования между порошкообразным материалом и стенками формы возникают силы трения, возрастающие с увеличением давления прессования, что приводит к значительному перепаду давлений по высоте прессовки и, как следствие, к неравномерности уплотнения порошка. Появление неравномерности уплотнения и дефектов заготовки может быть вызвано также упругими и пластическими напряжениями, возникающими в процессе прессования. Эти недостатки в меньшей степени присущи методу изостатического горячего прессования. Для гидростатического прессования характерно отсутствие внешнего трения, поэтому неравномерность плотности по объему заготовки значительно меньше аналогичной плотности при обычном прессовании. Этот метод применяется для получения изделий сложной конфигурации.
В процессе экструзии происходит обжатие и продавливание заготовок из шихты композиционного материала. Заготовки могут быть из смеси волокон и порошков со связками-пластификаторами (вязкими веществами типа раствора бакелита, парафина и др.). Пластификатор связывает экструдируемые частицы и создает благоприятные условия для истечения формируемой массы через мундштук. При спекании-прессовании или горячем прессовании применяют нагретые заготовки из шихты армированного материала. Этим методом получают длинномерные изделия различного профиля — прутки, трубы, уголки и др. Главный недостаток способа экструзии — сильная повреждаемость армирующих волокон во время уплотнения.
При горячем прессовании процессы прессования и спекания объединены. Благодаря нагреву до температур, составляющих 0,5—0,8 температуры плавления матрицы, уплотнение шихты протекает гораздо интенсивнее, чем при раздельных операциях прессования и спекания. В случае горячего прессования внешнее давление суммируется с капиллярным, обусловливающим свободное спекание порошка. Этим методом удается получать практически беспористые изделия.
Наиболее производительным процессом получения слоистых композиционных материалов методом твердофазного совмещения армированных листов и лент является технология непрерывного компактирования с использованием прокатки или диффузионной сварки. По этой технологии между валками прокатного стана уплотняют до компактного состояния либо матричные ленты и арматуру в виде непрерывных волокон (сеток, матов), либо ленты о расположенными между ними дискретными волокнами.
Наибольшее применение получает сварка взрывом — основной способ получения слоистых композитов, при котором соединение образуется в твердой фазе. Метод не требует нагрева перед деформацией, что позволяет сохранить хорошую прочность армирующих волокон. Сварка взрывом используется для изготовления многослойных листов, полос, цилиндрических заготовок, изделий из композиционных материалов, армированных волокнами и т. д. В результате детонации взрывчатого вещества происходит соударение метаемой пластины и заготовки. При этом имеют место значительная пластическая деформация поверхностных слоев и их местный адиабатический нагрев, приводящие к образованию прочного сварного соединения отдельных пластин. Основными проблемами, возникающими при плакировании взрывом, являются появление непроваров по периметру, а также растрескивание свариваемых плит, что особенно характерно при соединении толстолистовых крупногабаритных установок.
В последние годы получают развитие методы синтеза композиционных материалов нанесением на подложку чередующихся слоев матрицы и арматуры, т. е. методами осаждения. Существует несколько способов получения композитов нанесением покрытий: плазменным напылением, электролитическим осаждением, осаждением из газовой фазы, вакуумным, эмиссионным и другими методами.
Жидкофазные методы обладают рядом существенных преимуществ, главные из которых: возможность получения композиционных изделий сложной конфигурации с минимальной последующей механической обработкой либо вообще без нее; ограниченное силовое воздействие на хрупкие компоненты; широкая номенклатура компонентов, используемых для создания композитов; упрощенное аппаратурное обеспечение; высокая производительность; возможность механизации, автоматизации и реализации непрерывных технологических процессов. Кроме этого, при помощи жидкофазного метода можно изготовлять такие композиции, которые другими методами либо невозможно изготовить, либо нерационально.
С использованием литейных технологий композиционные материалы получают двумя способами: соединением твердой и жидкой фаз, а также соединением различных компонентов, находящихся в жидком состоянии.
Процесс соединения твердой и жидкой фаз осуществляется в следующем порядке (рис.1): размещение (укладка, установка) армирующих элементов в полость литейной формы перед заливкой матричным расплавом (рис. 1, I—III); заливка в литейную форму гетерогенного матричного расплава,содержащего армирующие элементы, приготовленного в специальном агрегате (ковше) (рис. 1, IV); введение армирующих элементов в матричный расплав в процессе заливки его в кристаллизатор или в литейную форму (рис. 1, V, X); сборка (намотка) армирующих элементов в присутствии жидкого матричного сплава (рис. 1, IX).
Технологический процесс получения изделий жидкофазным совмещением компонентов состоит из следующих основных этапов: подготовки компонентов (калибровка, очистка и плакирование поверхности, придание армирующей конструкции необходимой формы, конфигурации); сборки, размещения в полости формы арматуры или ввод армирующих элементов в расплав; заливки матричным расплавом, пропитки; выдержки для затвердевания жидкой фазы в условиях наложения внешних воздействий либо без них; выема из формы; термической и механической обработки композиционных изделий. Часто литье композитов по одному из этапов литейной технологии называют пропиткой.
Рис. 2 иллюстрирует последовательные этапы изготовления изделия из композиционного материала методом вакуумно-компрессионного литья. Основа детали с намотанными на нее армирующими волокнами устанавливается в тонкостенную литейную металлическую форму, внутренняя полость которой соответствует конфигурации получаемого изделия. Форма помещается в верхнюю термическую печь, а в нижнюю плавильную печь (тигель) укладывается шихта матричного сплава. Собранная форма вакуумируется и нагревается, одновременно в нижней печи расплавляется матричный сплав, в пространство печи под давлением подается сжатый аргон. Форма опускается в жидкий металл, который под давлением через специальные отверстия поступает внутрь и заполняет (пропитывает) зазоры между армирующими волокнами. После окончания пропитки форма поднимается вверх, где расположен внешний холодильник, жидкая фаза кристаллизуется, изделие охлаждается и извлекается из формы. Устройство формы предусматривает вывод усадочной раковины из рабочей части изделия в своеобразную прибыльную надставку. Важную роль в описанном процессе играет подогрев арматуры. Если температура подогрева недостаточна, то возможна неполная пропитка матричным расплавом, образование пор, неоднородной несовершенной связи по высоте изделия.
В процессе формирования и кристаллизации заготовки для повышения качества композиционных изделий, устранения несовершенств литой структуры применяется наложение различного вида внешних воздействий: давление, вибрация, ультразвуковые или электромагнитные колебания и т. д. Например, вакуумирование (см. рис. 1, VII) защищает армирующие элементы от окисления, улучшает смачивание и растекание, уменьшает время контакта арматуры с жидкой фазой, улучшает свойства изделий и стабилизирует их.
Методом вакуумного всасывания получают, например, композиционные отливки из жаропрочного сплава, армированные вольфрамовыми волокнами.
Вакуумное всасывание происходит с большой скоростью и в ряде случаев поток жидкого металла может вызвать эрозионное разрушение поверхности армирующих волокон. Устранить это нежелательное явление позволяет метод литья с комплексным электромагнитным и вакуумным воздействием (см. рис. 1, VIII), которое позволяет с помощью электромагнитного поля регулировать скорость движения расплава при заливке и пропитке. Для сохранения армирующими волокнами исходной прочности время их контакта с расплавленным матричным сплавом по возможности сокращают.
Литьем под давлением можно получать детали сложной конфигурации, тонкостенные (толщина стенок 1—3 мм), при этом их форма и размеры максимально приближены к готовому изделию и часто не требуют дополнительной механической обработки, что является важным достоинством литейной технологии.
Одним из наиболее распространенных методов получения многослойного металла является так называемое литое плакирование — заливка жидким металлом твердых армирующих элементов, предварительно размещенных и закрепленных в литейной форме или изложнице.
Расположение армирующих элементов, их геометрия, масса по отношению к заливаемому металлу и другие параметры армирования могут быть различными (рис. 3). Жидкий металл можно заливать как сифоном, так и сверху. Заливкой жидкой стали в изложницу с установленными предварительно армирующими вставками получают многослойный слиток, из которого после прокатки и обрезки кромок изготовляют многослойные листы. Например, для получения биметаллического плакированного листа сляб из легированной коррозионностойкой стали с предварительно простроганной и обезжиренной поверхностью устанавливается на некотором расстоянии от стенки изложницы с помощью привариваемых стержней (рис. 3, а). Затем производится сифонная заливка в изложницу жидкой углеродистой стали. Расплав, заполнивший зазор между армирующей вставкой и стенкой изложницы, образует защитный слой, предохраняющий поверхность сляба от окисления. На рис. 3, б представлена схема армирования двумя слябами из коррозионностойкой стали, установленными в центре изложницы, разделенными по поверхности соприкосновения огнеупорной смазкой, предотвращающей их сваривание. По периметру слябы могут быть скреплены электросваркой. В результате прокатки такого сляба получаются два биметаллических листа. Для получения трехслойных и многослойных листов используются схемы армирования, приведенные на рис. 3, в—г. Этот способ используется для получения многих биметаллов: коррозионностойких, антифрикционных, инструментальных, термобиметаллов и др. Существуют также способы получения биметалла заливкой расплава в форму непосредственно на плакируемую поверхность изделия, пластины. Эта технология широко применяется для восстановления изношенных деталей механизмов и машин.
В работе описан способ получения слоистых композитов с использованием электрошлакового обогрева (ЭШО), который позволяет получать биметалл с надежным соединением независимо от толщины прокатываемого металла. Последовательность технологических операций показана на рис. 4. Заготовка (сляб, поковка, отливка) из углеродистой или низколегированной стали помещается в кристаллизатор. На поверхность заготовки заливается выплавленный в шлакоплавильной печи шлак, образующий шлаковую ванну. С помощью нерасходуемых (графитизированных) электродов поверхность плакируемой заготовки нагревается до температуры, при которой происходит сплавление разнородных металлов. В процессе ЭШО поверхность заготовки очищается от окалины и загрязнений, что исключает необходимость предварительной механической обработки и другие виды ее подготовки. По достижении определенной температуры на заготовку заливается легированная сталь, полученная в любом сталеплавильном агрегате по традиционной технологии. Требуемая оптимальная температура плакируемой поверхности, защита ее от окисления обеспечивают надежное сплавление слоев металла. Залитый второй слой кристаллизуется по заданному режиму регулированием температуры шлаковой ванны и времени проведения ЭШО. При этом предотвращается образование дефектов усадочного характера в металле плакирующего слоя. Применение метода плакирования с использованием ЭШО позволяет расширить возможности композиции различных элементов для получения заданного сочетания свойств, сэкономить высоколегированные стали, повысить качество изделий из биметалла.
Широкое развитие получило литейное плакирование втулок, цилиндров, трубных заготовок с помощью центробежного литья. Существуют различные варианты технологии: последовательная заливка слоев металлов или сплавов в изложницу центробежной машины, в том числе с использованием флюсов, инокуляторов либо без них; плакирование твердой цилиндрической заготовки, установленной в центробежную машину заливкой плакирующего расплава либо расплавлением кусковых шихтовых материалов, помещенных предварительно в полость плакируемого цилиндра. Нагрев и расплавление шихты в изложнице центробежной машины (например, гранул бронзы) производится с помощью электрической дуги, высокочастотного индуктора или в печи. Расплавленный металл под действием центробежной силы равномерным слоем распределяется по внутренней поверхности заготовки, заполняет полости между элементами арматуры. После остановки центробежной машины заготовка вынимается, охлаждается и подвергается дальнейшей обработке. К основным технологическим параметрам центробежного литья биметаллических заготовок относятся температура нагрева расплава, твердой заготовки и арматуры, время выдержки под воздействием центробежных сил, скорость вращения изложницы в процессе изготовления композита. При получении биметаллических заготовок путем последовательной или одновременной заливки двух различных расплавов обеспечивается более прочное соединение слоев, отпадает необходимость подготовки поверхности твердого элемента. При последовательной заливке в изложницу устанавливается перегородка, которая удаляется после частичного затвердевания первого слоя и достижения на контактной поверхности определенной температуры. Затем заливается второй слой. Соблюдение температурно временных и других параметров технологии обеспечивает надежное соединение слоев. Различные расплавы заливаются так, чтобы заливаемые металлы не смешивались.
Технология центробежного литья биметаллических труб и заготовок весьма эффективна для изготовления ответственных деталей типа цилиндра для машин и механизмов, работающих при повышенных температурах, знакопеременных нагрузках и в агрессивной среде.
Одним из перспективных направлений в производстве слоистых композитов является непрерывное литье плоских и цилиндрических заготовок с последующей пластической деформацией. Эта технология позволяет значительно повысить производительность труда, в том числе за счет механизации и автоматизации производственных процессов, снизить себестоимость готовой продукции, исключить экологически вредные операции травления и абразивной зачистки металла. Существуют два варианта технологии: с использованием компонентов в твердом и жидком состоянии; с использованием компонентов только в жидком состоянии. Примером первого технологического варианта может служить технология получения двух- или многослойных заготовок плоского или круглого сечения на горизонтальной установке непрерывной разливки стали. Расплав из промежуточного ковша поступает в водоохлаждаемый графитовый кристаллизатор. Через кристаллизатор проходит плакируемая заготовка, предварительно нагретая в высокочастотном индукторе (рис. 5). Расплав кристаллизуется, твердая полоса (или оболочка) с плакируемой заготовкой вытягивается роликами, нагревается во втором индукторе для лучшего соединения слоев.
На рис. 6 представлены схемы получения композитных заготовок методом непрерывного литья заливкой двух жидких металлов в два кристаллизатора. В кристаллизатор заливается основной металл, который в виде непрерывного слитка вытягивается вниз до нижнего среза второго кристаллизатора (рис. 6, а): В этот момент во внешний кристаллизатор начинает заливаться плакирующий металл, который, взаимодействуя с затвердевшей, но еще разогретой до значительной температуры поверхностью плакируемой заготовки, прочно соединяется с ней. Таким образом, после затвердевания металла получается трехслойная заготовка. При получении двухслойной заготовки (рис. 6, б) вначале в кристаллизаторе отливается заготовка из основного металла, а затем во второй кристаллизатор заливается плакирующий слой. При литье цилиндрической заготовки (рис. 6, б) металл плакирующего слоя заливается во внешний кристаллизатор, в котором формируется полая заготовка. Внутренняя полость заготовки служит своеобразным кристаллизатором для металла основного (плакируемого) слоя. По данной технологии на машинах непрерывной разливки стали получаются слоистые композиционные материалы различных марок стали. В качестве металла основного слоя используются углеродистые стали, а в качестве плакирующего — среднеуглеродистые, высокоуглеродистые и нержавеющие стали. Следует отметить, что непрерывные методы получения композитных стальных материалов получают все большее распространение.
Для получения композитных заготовок перспективной является технология электрошлакового переплава (ЭШП). На рис. 7 показан один из вариантов электрошлаковой выплавки двухслойных слитков. Общая металлическая ванна разделяется металлической охлаждаемой перегородкой на два сообщающиеся между собой отделения, над которыми переплавляются электроды соответствующего состава. Электроды подключаются по бифилярной схеме. При стационарном закреплении кристаллизатора по мере наплавления слитка перегородка поднимается. Существуют и другие схемы, где применяются подвижные внутренние кристаллизаторы, последовательное расплавление частей электрода, имеющих различный химический состав и т. д.
Биметаллические слитки круглого сечения получаются также с помощью вакуумного дугового переплава. При этом металл внутреннего слоя заливается в установленную в кристаллизатор полую вставку (гильзу) из металла наружного слоя с использованием расходуемого электрода.
Плакирование деталей и заготовок с участием жидкой фазы осуществляется методом наплавки. Для этой дели применяются различные механизированные и автоматизированные установки с проволочными или ленточными электродами, токоподводящим кристаллизатором. Процесс наплавки ленточными электродами характеризуется высокой производительностью, обеспечивает небольшую глубину проплавления основного металла. Недостатками метода являются высокая трудоемкость, необходимость использования дополнительной обработки для придания поверхности требуемого качества под наплавку. Кроме того, наплавленный слой может быть неоднородного состава. Для наплавки широко применяются флюсы и защитные газы. Для снижения примесей в наплавленном металле применяются обмазки электродов, подбирается состав присадочной проволоки, а также осуществляются двух-, трех- и четырехслойные наплавки.
Электрошлаковая наплавка применяется главным образом при ремонте крупногабаритных изделий (прокатных валков, штампов и т. п.). Этот метод позволяет за один проход наплавлять слой толщиной 10—15 мм при высокой производительности и небольшом расходе флюса. На рис. 8 приведена схема процесса электрошлаковой наплавки цилиндрических деталей (прокатных валков) в токоподводящем кристаллизаторе. В качестве присадочного материала, из которого формируется наплавленный слой, используется литая дробь из легированного чугуна. Водоохлаждаемый кристаллизатор совершает поступательное движение вдоль наплавляемой детали. Бункер с дробью движется по кругу, непрерывно подавая присадочный материал в зазор.
Метод наплавки позволяет плакировать разнообразные изделия: от мелких (типа крышек и фланцев, применяемых в аппаратостроении) до крупногабаритных сложной конфигурации (сосудов и аппаратов, деталей горнообогатительного оборудования, подвергающихся интенсивному износу). С помощью электрошлаковой наплавки изготовляются биметаллические детали ответственного назначения.
Для получения ряда многослойных композиций из металлов с резко различными свойствами применяется эффективный метод жидкофазного совмещения — пайка. Между соединяемыми слоями помещается припой в виде фольги, порошка и т. д. Собранный пакет подвергается нагреву до температуры, при которой припой расплавляется. После охлаждения композит формируется окончательно. В результате получается прочное соединение. Из таких биметаллов изготовляется режущий инструмент (фрезы, сверла, резцы).
Получение микрогетерогенных композиционных материалов методом направленной кристаллизации эвтектических сплавов заключается в том, что из расплава, кристаллизующегося в условиях интенсивного наплавленного отвода тепла, выпадают параллельные направлению теплоотвода игольчатые или пластинчатые кристаллы, равномерно распределенные в матрице. Эти кристаллы (армирующая фаза) имеют механические свойства, близкие к свойствам усов, хорошо связаны с матрицей, поэтому прочность волокнистых эвтектик достаточно высока. Применяемые способы направленной кристаллизации создают плоскую поверхность между жидкостью и кристаллизующейся твердой фазой, т. е. плоский фронт кристаллизиации. Расплав эвтектического состава расплавляется и перегревается в тигле с помощью индуктора. Затем из зоны нагрева он вытягивается с постоянной скоростью. Далее расплав постепенно затвердевает. При этом фронт кристаллизации перемещается вверх. Скорость кристаллизации зависит от скорости вытягивания и условий теплообмена. Теплообмен регулируется подбором материалов, из которых изготовляется установка, конфигурацией деталей, а также принудительным охлаждением водой.
С помощью направленной кристаллизации получены композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, никеля, кобальта, ниобия, титана, некоторых других матриц. Эти новые материалы, состоящие из направленно расположенных взаимопроникающих друг в друга фаз, получили название естественных композиционных материалов. В отличие от обычных жаропрочных сплавов они являются анизотропными, характеризуются более высокими показателями прочности и жаропрочности. Использование литых эвтектических жаропрочных материалов перспективно в первую очередь в газовых турбинах и космической технике, где требуется высокая жаропрочность (стойкость) изделия.