Производство толстого биметаллического листа

Химическая промышленность, атомное и энергетическое машиностроение, судостроение, трубная промышленность и другие отрасли применяют биметаллический толстый лист. Такие листы состоят из двух слоев. Основной слой изготовлен из сравнительно дешевой углеродистой или низколегированной стали, а плакирующий — из дорогого легированного металла со специальными свойствами. Плакирующий слой должен обеспечить эксплуатационные свойства биметалла при работе в экстремальных условиях, а основной несет силовую нагрузку. Реже применяются триметаллические листы, в которых два плакирующих слоя располагаются по обе стороны от основного.

Толщина плакирующего слоя на толстых биметаллических листах обычно колеблется в пределах 5—7 мм, а толщина основного слоя может быть практически любой. Применение биметаллических листов дает большую экономию затрат у потребителя. Например, емкость, изготовленная для целлюлозно-бумажной промышленности из биметалла, содержащего плакирующий слой из кислотоупорной нержавеющей стали, значительно дешевле такой же емкости, полностью изготовленной из кислотоупорной стали. Биметаллический лист с плакирующим слоем из титана обеспечивает очень длительный срок службы обшивки корабля в агрессивной морской воде. Биметаллические трубы значительно продлили бы жизнь магистральных газопроводов.

Основными поставщиками толстого биметаллического листа на мировой рынок являются Япония, Германия, США и другие страны. В России потребность в таком листе непрерывно растет, и возможно, она станет главным потребителем такого листа. Однако пока его производство не столь развито, как требуют перспективные планы развития основных отраслей промышленности, потребляющих биметаллический лист. На данном этапе становления нашего народного хозяйства при сравнительно небольших объемах потребления часто предприятию выгоднее купить некоторое количество таких листов на мировом рынке, чем налаживать производство на своих толстолистовых станах. Однако и у нас в стране на ОХМК, Ижорском и других заводах разработана технология производства толстого биметаллического листа. На Украине такой лист производит КМЗ.

На существующих толстолистовых станах биметаллические листы могут производиться при наличии специализированного участка для подготовки биметаллических слябов и при дополнительном оборудовании для контроля качества продукции, его дополнительной обработки и испытания.

При производстве биметаллических листов основной проблемой является изготовление биметаллического сляба. Существует несколько технологических схем производства биметаллических слябов, служащих заготовкой для прокатки биметаллического листа. Самой простой является наплавка плакирующего слоя на основной (рис. 15.36). По первому способу (см. рис. 15.36, а) в изложницу помещают сляб из основного металла (в твердом состоянии) и доливают в нее расплав легированного плакирующего металла. При сплавлении слоев получается биметаллический сляб, который в дальнейшем по технологии плакирующего металла нагревается в методических печах и прокатывается по обычной технологии. При производстве таких слябов необходимо предотвратить окис-

Рис. 15.36. Изготовление биметаллических слябов методами расплавления

плакирующего слоя: а — заливка; б— наплавка; в- эшп

ление поверхностей металлов в месте их соединения, например, путем применения инертных газов, вакуумирования, использования шлаков и пр.

Более надежен способ наплавки плакирующего слоя сварочными электродами под слоем флюса (см. рис. 15.36, б). Более высокое качество сварки обеспечивает способ электрошлакового переплава (ЭШП), когда капли расплавляемого электрода из плакирующего материала проходят слой специально наведенного шлака, очищающего и защищающего металл (см. рис. 15.36, в).

Методы, основанные на расплавлении плакирующего слоя, применяются, например, при получении биметаллических листов с плакирующим слоем из меди, никеля и пр. Однако такие методы во всех разновидностях имеют существенные недостатки. Очень трудно защитить плоскости контакта слоев от окисления. Кроме того, при контакте расплавленного плакирующего металла с основным углеродистым металлом происходит их взаимодействие. Если сплавляемые металлы неограниченно растворимы, то соединение достигает высокой прочности и пластичности. Эго наилучшее сочетание металлов плакирующего и основного слоев. Если же металлы образуют хрупкие химические соединения или эвтектики, то промежуточный слой, а с ним и весь биметаллический лист будут иметь низкие механические свойства. Например, титан со сталью при температуре 1050 °С образуют эвтектику, которая имеет практически нулевую пластичность и прочность, поэтому методы расплавления не пригодны для получения биметаллических слябов титан—сталь.

При контакте основного и расплавленного плакирующего металлов интенсивно протекают диффузионные процессы. Например, при производстве биметалла сталь — нержавеющая сталь углерод диффундирует из слоя стали в плакирующий слой, а легирующие элементы (Сг, N1, Т1 и др.) — в обратном направлении. На границе соединения со стороны нержавеющего слоя образуется прослойка хрупких карбидных соединений с металлами плакирующего слоя (хрома, титана и пр.). В основном слое образуется дополнительная прослойка из обезуглероженного металла. Таким образом, на границе соединения формируется переходная зона, состоящая из двух слоев — карбидного и обезуглероженного. Механические свойства всего биметаллического листа определяются свойствами промежуточной зоны: предел его текучести будет таким же невысоким, как у обезуглероженного слоя, а пластичность низкой, как у карбидного слоя. Методы расплавления технологически просты, но применяются сравнительно редко, поскольку обеспечивают невысокие свойства листа.

Метод наплавки плакирующего слоя под слоем флюса применяется на стане 2000 ОАО “Северсталь” при производстве тонких горячекатаных биметаллических листов сталь — нержавеющая сталь. При деформации от толщины исходного сляба 280 мм до конечной толщины 2 мм промежуточная зона раскатывается, превращается в отдельные, не связанные между собой островки, которые мало влияют на свойства готового листа.

Для получения толстых листов из упомянутых металлических пар с высокими механическими свойствами применяют пакетные методы изготовления биметаллических слябов. Существует несколько конструкций пакетов. В самом простом пакете (рис. 15.37, а) плакирующий металл в виде пластины приваривается к основному слою по периметру. В таком виде пакет нагревается в методической печи и затем прокатывается на стане, как обычный сляб. Чтобы произошла сварка слоев по контактной поверхности, необходимо на их границе достигнуть определенной и достаточно высокой прорабатываемое™ (суммарной степени деформации).

Сварка будет прочнее и надежнее, если в процессе подготовки и нагрева пакета сохранить чистые поверхности слоев. Для этого перед сборкой пакета все поверхности тщательно зачищаются и промываются ацетоном или спиртом, а после окончательной сборки из пакета откачивается лишний воздух, чтобы полностью предотвратить окисление.

Представленный пакет прост, но при его изготовлении (при сварке) по периметру металл расплавляется, поэтому после прокатки значительную часть биметаллического листа приходится отправлять в обрезь. Более сложный пакет содержит крышку, закрывающую плакирующую плиту от окисления и загрязнения (рис. 15.37, б). Сварка по периметру осуществляется через стальные промежуточные прокладки, поэтому плакирующий слой в периферийных слоях не расплавляется. Это наиболее применяемый пакет. Здесь также все детали перед сборкой зачищаются и промываются, а после сборки пакет вакуумируется.

Недостатком обоих пакетов является различие сопротивления деформации металла по верхнему и нижнему валку при прокатке. В результате обжатие мягкого слоя больше, чем твердого, из-за неравномерности деформации между слоями происходит взаимодействие. При прокатке сляб изгибается в сторону твердого слоя (как правило, плакирующего). После сварки слоев их дефор-

Рис. 15.37. Типы пакетов для прокатки биметаллических листов мация выравнивается, однако сохраняется высокая неравномерность, а за счет взаимодействия слоев в них формируются большие остаточные напряжения, значительно снижающие механические свойства листа в целом. Возможно даже расслоение. Чтобы выравнять деформацию на обоих валках, необходимо прокатывать симметричный пакет (рис. 15.37, в). Важным преимуществом является также то, что так прокатываются сразу два биметаллических листа, производительность возрастает. Недостатком является слабая прорабатываемость пакета в месте сварки слоев. Толщина сляба в этом случае почти в два раза больше, чем в предыдущем, поэтому при прокатке высока вероятность попадания в область высокого очага деформации, когда деформация не проникает в центральные слои. Необходимы высокие суммарные обжатия, чтобы обеспечить сварку плакирующего слоя с основным, что возможно при прокатке сравнительно тонких слябов или мощного прокатного оборудования.

Проблема надежной приварки плакирующего слоя к основному металлу по всей контактной поверхности является главной при пакетной прокатке биметалла. Для улучшения свариваемости при пакетной прокатке применяют гонкие промежуточные прослойки. С одной стороны, промежуточные прослойки предотвращают образование хрупких карбидных прослоек и обезуглероженно- го слоя, с другой — при соответствующем подборе материала прослоек удается снизить прорабатываемость, при которой слои привариваются друг к другу. Из теории сварки давлением известно, что лучше всего (при меньшем давлении) свариваются однородные металлы, имеющие близкие атомные радиусы. Так, хорошо свариваются железо (сталь) с никелем, свинец с оловом и т. д. Труднее свариваются одинаковые металлы, например сталь со сталью. И чем больше различие в атомных радиусах, тем труднее металл сваривается. Сталь с титаном свариваются очень трудно, так как эти металлы имеют далеко отличные атомные радиусы (при наличии эвтектики сварка вообще невозможна).

Таким образом, для производства биметаллических листов сталь — нержавеющая сталь в пакет между слоями необходимо заложить прослойку из никеля. На КМЗ такую прослойку наносят гальваническим путем на плакирующую плиту. На многих заводах (например, на стане 5000) прослойка представляет собой тонкий лист, сваренный из отдельных никелевых лент. На участке сборки пакетов имеется сварочное оборудование, позволяющее закрепить никелевые ленты на основном слое. Конечно, ленты предварительно зачищают и промывают, а собранный пакет вакуумируют. Прочность сцепления основного и плакирующего слоев при наличии ленточной прослойки выше, чем при гальваническом нанесении промежуточного слоя. Еще более сложная прослойка необходима для производства биметалла титан—сталь. Такого металла, который имеет близкий атомный радиус к железу и титану, не существует. Поэтому необходимы двойные и даже тройные прослойки, например ванадий-ниобие- вые, никель-ванадий-ниобиевые и др., которые обеспечивают постепенный переход от железа к титану.

При пакетной прокатке одна из проблем состоит в том, чтобы правильно подобрать соотношение толщин плакирующего и основного слоев до прокатки Н_иуН_ос для обеспечения требуемого соотношения после прокатки /г_|[л//?_ос. До момента сварки слоев каждый из слоев деформируется независимо друг от друга и соотношение обжатий подчиняется закономерности

где о_0С, ст_мл — предел текучести металла основного и плакирующих слоев (см. рис. 5.11).

Однако после сварки слоев до конца прокатки оба слоя должны деформироваться более равномерно, поскольку вытяжки их выравниваются. Таким образом, трудно рассчитать начальное соотношение толщин листов, чтобы попасть в требуемое соотношение после прокатки.

Все отмеченные выше трудности почти полностью исчезают, если изготовлять биметаллический лист методом взрыва (рис. 15.38). Готовый лист получается без нагрева и последующей прокатки сразу за одну операцию. На основную плиту под углом накладывается плакирующий лист. Размеры плит равны размерам готового биметаллического листа. На плакирующий лист наносится ровным слоем взрывчатое вещество. Затем производится направленный взрыв, и плакирующий лист слева направо с большой силой и скоростью устремляется к основной плите. Удельные давления при этом очень велики, движение фронта волны взрыва формирует в обоих слоях зубцы, по форме напоминающие гребни прибрежной морской волны при шторме. Форму и высоту их можно регулировать. Происходит надежное приваривание поверхностей. Лист, полученный методом взрыва, обеспечивает наибольшую прочность соединения листов. Здесь нет промежуточной диффузионной зоны, не образуются химические соединения и прочие фазы. Микроисследования показывают, что граница слоев представляет собой чистую тонкую поверхность зубчатой формы.

Понятно, что взрывная технология требует строительства специально оборудованных полигонов и соответствующей подготовки персонала. Производительность также не идет ни в какое сравнение с предыдущими технологиями. На ОХМК накоплен определенный опыт производства биметаллических листов, полученных взрывом. Имеется также лабораторный опыт в различных исследовательских коллективах. Широкого применения такая технология не получила, но вполне допустима для производства уникальных листов.

В литературе имеются сведения о лабораторных опытах по механическому соединению слоев при пакетной прокатке. Для этого перед сборкой пакета на свариваемых поверхностях обоих пластин прострагивают канавки в виде ласточкина хвоста. При прокатке выступы одной пластины входят в зацепление

Рис. 15.38. Получение биметаллического листа методом взрыва с выступами другой, образуя прочное механическое соединение, как при взрыве. Очевидно, такой способ получения биметаллических листов будет значительно дешевле и технологичнее, чем способ взрыва.