МИНИСТЕРСТВО НАУКИ ИОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ЧерниговскийГосударственный технологический Университет
Кафедра: Сварочногопроизводства
Расчетно-графическаяработа
По дисциплине: «Нанесениепокрытий»
На тему: «Плакированиеметаллов»
Чернигов 2009
Введение
В современнойтехнике и металлоконструкциях существует потребность в использовании материаловобладающих специальными свойствами, таких как высокая механическая прочность,высокая коррозионная стойкость, жаропрочность, износоустойчивость, малыйудельный вес, высокая электропроводимость и т.д.
Применяяразличные комбинации металлов, обладающими в отдельности некоторыми из этихсвойств, можно получить желаемый результат. Многослойный металл отличает отсплава то, что в нем сохраняются специфические свойства составляющих металлов,в тоже время этот металл обладает новыми, присущими только ему свойствами.
Ниже мырассмотрим получение специальных металлов с помощью плакирования.
Плакирование
Метод заключаетсяв соединении двух и больше разнородных пластин прокаткой, сваркой взрывом,литьём и т.д. Плакировочными металлами может быть коррозионностойкая сталь,никель, медь, титан и др. Наиболее распространённым способом плакированияявляется сварка взрывом.
Кромеплакирования пластин возможно плакирование стержней и труб, внутреннихповерхностей цилиндров.
Плакирование прокаткой
Процесспроизводства многослойных изделий начинается с получения заготовок дляпоследующего совместного деформирования металлов и сплавов.
Наиболеепросты в своем исполнении многослойные заготовки, получаемые наложением слоевметаллов непосредственно перед совместной деформацией. Этот способ применим длягорячей обработки металлов, имеющих легко разрушающуюся окисную плёнку, или дляхолодной совместной деформации (например, прокаткой или волочением). Он не требуетпредохранения поверхностей от окисления, и соединяемые металлы поступают наоперацию деформирования после соответствующей обработки поверхности(травлением, обезжириванием, прокаливанием, обработки ультразвуком илимеханической обработки) и, если того требуется, нагрева.
Заготовки дляпрокатки предварительно склёпывают с переднего торца либо без скрепления подаютв валки прокатного стана.
С цельюполучения более равномерной послойной деформации при прокатке, особеннометаллов со значительно отличающимися прочностными свойствами, применяютсимметричную заготовку (рис.1 а).
/>
2
1
3
/>
1 2
Рисунок 1. Симметричные пакеты дляпрокатки
а) Четырёхслойный пакет;б) трёхслойный пакет
1-плакировочный металл;2-плакируемый металл; 3) крепление пакета
Симметричнаязаготовка позволяет избежать изгиба полосы в процессе прокатки. Симметричныйпакет собирают по схеме М-Т-Т-М, или по схеме Т-М-М-Т, при которой слои болеемягкого металла находятся снаружи, а более твёрдого – внутри или наоборот.Можно применять и схему М-Т-М или Т-М-Т (рис.1б). Этим способом можно получитькак трехслойный, так и двухслойный лист. После прокатки обычно один изплакирующих листов удаляют, для облегчения этого контактную поверхность одногоиз листов смазывают противосварочной пастой.
Однакосимметричная заготовка способствует более равномерной деформации слоев толькопри определенном исходном соотношении толщин. В противном случае происходит«сползание» мягкого плакирующего слоя и уменьшение его толщины до определеннойвеличины, после чего начинается уже достаточно равномерная послойная деформация.
Лучшегокачества плакирования можно достичь, если собранный под прокатку пакетгерметизировать (проварить по торцу). Перед сваркой (герметизацией)производится продувка пакета аргоном, воздух вытесняется и тем самым создаютсяусловия, предотвращающие окисление контактной поверхности в процессе нагрева.
Еще лучшеекачество сцепления имеют изделия, полученные из вакуумированных заготовок. Дляэтой цели к герметезированной заготовке приваривают трубку, через которуюоткачивают воздух. Трубку разогревают и расплющивают, а затем обрезают (вышеместа сварки), после чего можно приступить к горячей деформации заготовки.
Еще болеенадежным способом вакуумирования биметаллической заготовки является следующий:в крышке биметаллической заготовки, которая одновременно является плакирующимметаллом, просверливают отверстие. Крышку в обычной или аргоновой атмосфересваривают по торцу с металлом основы. До загрузки в вакуумную печь на отверстиев крышке накладывают пластину из однородного с ней металла и закладывают междуними припой толщиной не более 0.1 мм. Припой выбирают таким, чтобы еготемпература плавления была на 50-80 град выше температуры горячей обработкибиметаллической заготовки.
Пластинуприпоя выгибают так, чтобы между ей и крышкой образовался зазор в 3-5мм. В печисоздают необходимый вакуум, после чего производят нагрев заготовки. В процессенагрева припой сначала выпрямляется, и пластина плотно ложится на крышкузаготовки, а затем расплавляется припаивает пластину к крышке, осуществляя темсамым надежную герметизацию заготовки.
Возможноиспользование заготовок для прокатки полученных с помощью отливки. Имеется дваварианта получения заготовки: соединение твердого металла с жидким в процессеотливки и соединение жидкого металла с жидким.
Заливкойтвердого металла жидким можно добиться различной конфигурации слитка. Таким способомполучают плоскую заготовку под прокатку, а также круглую в сечении заготовку свнутренним стержнем (рисунок 2).
Изменяярасположение и количество заготовок в изложнице, можно получить трехслойную илимногослойную заготовку. Если две пластины смазать противосварочной обмазкой(например, порошки MgO) и обварить их по периметру, то в процессе заливки можно получитьодновременно две биметаллических заготовки, которые перед прокаткой легкоразделяются при обрезании кромки. Этот метод позволяет уменьшить неравномерностьпослойной деформации, а также вдвое увеличить производительность процесса.
/>/> 1
2 2
3
Рисунок 2- Получениезаготовки способом заливки пластины, установленной в центре изложницы
1-изложница;2-плакируемыйлист; 3- пространство для заливки плакирующего металла.
Существуетспособ получения цилиндрических трубных заготовок для дальнейшего прессования ипрокатки способом центробежного литья. В этом случае последовательно заливаютслои металлов, составляющих многослойную заготовку. Центробежную отливкуприменяют в основном при изготовлении заготовок из тяжелых и редких цветныхметаллов в сочетании со сталями различных марок. При центробежном литье струярасплавленного металла подается внутрь горизонтальной изложницы, вращающейся сзаданной скоростью. После начала кристаллизации слоя одного металла в изложницузаливается второй и т.д. в качестве одного из слоев может служить трубная заготовка,на внутреннюю поверхность которой центробежным литьем наносят слой сплава.Одним из недостатков способа является трудность получения точной толщины слоев.
Соединениеметаллов в жидком состоянии смеет ограниченное применение и его осуществляютлишь в том случае, если температуры плавления металлов близки друг к другу.
Для полученияплоских многослойных слитков для прокатки слои металла заливают вгоризонтальную изложницу в любой последовательности. После началакристаллизации первой составляющей заготовки заливают второй слой металла. Врезультате взаимной диффузии получается многослойный слиток.
Методыотливки биметаллических заготовок не могут дать желаемых результатов, если присоединении двух металлов на границе будут возникать легкоплавкие эвтектики илихрупкие интерметаллидные соединения. Метод заливки нельзя применят, еслитемпература плавления плакирующего металла значительно ниже, чем у основного.
Толщинаплакирующего слоя должна быть не ниже 2,5-5% от толщины заготовки; иначе непроизойдет заполнение плакирующим металлом узкой щели между изложницей иосновным металлом.
Плакирование взрывом
Сваркавзрывом позволяет производить плакирование как плоских так и цилиндрическихповерхностей.
Схема сваркиплоских поверхностей представлена на рисунке 3.
/>
Рисунок 3. Схема сварки плоскихповерхностей
На жесткоеоснование 5 устанавливают одну из свариваемых пластин 4, вторую пластину 3помещают над первой на расстоянии h от её поверхности. На всю поверхность пластины 3укладывают заряд 2 взрывчатого вещества (в дальнейшем ВВ) слоем одинаковойтолщины Н. заряд взрывают при помощи детонатора 1, находящегося в одном изконцов или углов пластины 3, в качестве ВВ используют гранулированные аммонитыи гранулиты, имеющие плотность около 1,0 г/см3 и скорость детонации D порядка 3-4 тыс. метровв секунду. Заряды ВВ взрывают при помощи электродетонаторов.
Послеинициирования заряда ВВ детонатором 1 вдоль слоя ВВ распространяетсядетонационная волна. Позади фронта детонационной волны образуются продуктывзрыва, которые в течении короткого промежутка времени по инерции сохраняютпрежний объём, находясь под давлением 100-200 тыс. атмосфер, а затем соскоростью 0,5-0,75 D разлетаются в стороны по нормалям к свободным поверхностямзаряда. При этом они сообщают находящемуся за фронтом детонации участку металлаимпульс, под действием которого его элементарные объемы последовательно сускорением движутся к поверхности неподвижной части металла и со скоростьюν соудоряются с ней.
При установленномпроцессе сварки метаемая пластина на некоторой длине дважды перегибается и,если соединяемые поверхности перед сваркой были установлены параллельноотносительно друг друга, её наклонный участок со скоростью νк, равной D движется за фронтомдетонационной волны, а участок, на котором на котором находитсянепродетонированная часть заряда ВВ, под действием сил инерции остаётся висходном состоянии (рис.4) соударение свариваемых металлов, происходящее поднекоторым углом γ, вызывает сильное давление в десятки тысяч атмосфер.
/>
Рисунок 4. Схема установившегосяпроцесса соударения
свариваемых пластин
В местахприкосновения пластин появляется тангенциальная составляющая скоростисоударения в направлении движения фронта детонационной волны, вследствие этогопроисходит совместное деформирование поверхностных слоёв свариваемых листов.Такое деформирование имеет характер вязкого течения и способствует тесномусближению свариваемых поверхностей.
Профильдеформированной зоны металлов образующемся сварном соединении, обычно имеетволнообразный вид (рис.5) окисные пленки и другие поверхностные загрязнениядробятся и рассредотачиваются со слоями деформирующегося металла и частичноуносятся в виде тонкой пыли под действием кумулятивного эффекта.
/>
/>
Рисунок 5. Микрофотография поверхностейсварки латуни (сверху), меди (в середине) и стали (внизу)
Исследованияпоказали, что при сварке взрывом отсутствует зона, состоящая из смесисоединяемых металлов. При сварке взрывом происходит образование металлическихсвязей по дислокационному механизму. Активация процесса образованияметаллических связей связанна с интенсивностью совместной пластическойдеформации поверхностных слоев свариваемого металла, которая определяетсяскоростью распространения пластической деформации, и её величиной, а такжевеличиной давления, развивающегося в зоне соударения.
Кромеплакирования пластин сварка взрывом позволяет плакировать Стержней и труб, внутреннихповерхностей цилиндров. При плакировании стержней трубу1 (рисунок 6, а)устанавливают с зазором на стержень 2.
А /> В/>
Рисунок 6 — Схема плакированиявзрывом стержня (а) и внутренней поверхности трубы (б)
Внутреннююповерхность трубы и наружную поверхность стержня механически обрабатывают иобезжиривают. На наружную поверхность трубы помещают заряд ВВ 3, инициированиекоторого делают по всему сечению одновременно так, чтоб взрыв распределился позаряду нормально его оси. Для создания такого фронта используют конус из ВВ сдетонатором 4 в его вершине. Для изоляции зазора от продуктов детонации ицентрирования трубы относительно стержня в верхней его части устанавливаютконус 5. В случае плакирования трубных заготовок в середину их устанавливаетсястержень 2. Толщина трубы, которая плакируется, может быть от 0,5 до 15 мм, адиаметр теоретически не ограничивается.
Приплакировании внутренних поверхностей используется схема изображенная на рисунке6, б. Она предусматривает размещение плакируемой трубы в середине массивнойматрицы 2. В середину трубы 1 с зазором устанавливается плакировочная труба 3 сзарядом ВВ.
При внутреннемплакировании крупногабаритных труб и цилиндрических изделий ответственногоназначения место массивной матрицы используют дополнительный заряд, размещенныйна наружной стороне плакируемого цилиндра, который взрывается одновременно свнутренним зарядом.
Литература
1. В.К.Король,М.С.Гильденгорн «основы, технологии производства многослойных металлов» издательство«Металлургия», 1970, 236с.
2. Г.А.Николаев,Н.А.Ольшанский «Специальные методы сварки» изд. Москва «Машиностроение», 1975,232с. С ил.
3. Нанесенняпокриття. Конспект лекцій для студентів спеціальності 6.092300 «Технологія таустаткування зварювання». \Укл.: Новомлінець О.О., Кислинський С.Є. – Чернігів:ЧДТУ, 2005. – 94с.