Реферат Методы контроля качества биметаллов
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Получение биметаллов сваркой взрывом.
1.1Технологические основы промышленного производства биметаллов сваркой взрывом.
1.2Практические результаты производства биметалла сваркой взрывом.
2. Устройство для прессования биметаллических изделий из порошков.
3. Методы контроля качества биметаллов.
3.1 Контроль прочности сцепления и соотношения толщин слоев биметаллов.
3.2 Контроль механических и эксплуатационных свойств биметаллов.
Заключение
Список используемой литературы
Введение.
Биметалл (от би... и металл), металлический материал, состоящий из 2 слоев разнородных металлов или сплавов (например, сталь и алюминий, сталь и ниобий, алюминий и титан, титан и молибден и др.). Применяют для повышения прочности и жаростойкости конструкций, снижения их массы с целью экономии дорогостоящих и дефицитных металлов или как материал со специальными свойствами. Например, в электро- и радиотехнике распространение биметаллов обусловлено тем, что плотность переменного тока падает от периферии проводника к его середине, поэтому иногда целесообразно поверхность провода из более дешёвого материала (сталь, алюминий) покрывать хорошим проводником (медь, серебро). Применение биметаллов в приборостроении основано на использовании различных значений температурных коэффициентов расширения металлов, из которых состоят биметаллические пластины. В машиностроении из биметаллов изготовляют детали машин и механизмов (например, втулки подшипников).
Биметаллы изготовляют главным образом одновременной прокаткой (или прессованием) двух заготовок различных металлов (или сплавов). Распространены также заливка легкоплавкого металла по тугоплавкому и погружение тугоплавкого металла в расплавленный легкоплавкий металл. При гальваническом способе слой более ценного металла наносят электролитически. Более твёрдые — дорогие и дефицитные — сплавы наплавляют на сталь электронагревом (при производстве режущего инструмента, штампов и пр.).
Биметаллы разделяются на три основные группы:
1) биметаллы — заменители, в которых плакирующим слоем является более дефицитный металл, а основным менее дефицитный;
2) биметаллы с плакирующим слоем из металла высокой коррозионной стойкости и износостойкости;
3) биметаллы, состоящие из двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения, так называемые термобиметалльг.
Биметаллы изготовляются прокаткой, литьем, сваркой и наплавкой и выпускаются в виде листов, полос, лент, проволоки, труб, вкладышей и антифрикционных втулок и пр.
При изготовлении биметаллов общим для всех групп является предварительная очистка от окислов поверхностей основного и плакирующего слоев металла путем травления, обдувки песком и дробью:
Этот способ испытан более чем на 400 различных биметаллах и сплавах.
Литые биметаллы изготовляются заливкой плакирующего металла в стационарные формы, на движущуюся стальную ленту и центробежным способом.
При получении биметаллов сваркой плакирующий слой — тонкие листы легированной стали соединяются с основным слоем — толстыми листами малоуглеродистой стали посредством точечной сварки, сварки с интервалами (сварка швом) и сварки в полоску.
Способ получения биметаллов наплавкой состоит в наплавлении стального сплава, обладающего высокой износоустойчивостью на дешевую прочную, вязкую и упругую углеродистую сталь или на высокопрочный, модифицированный магнием чугун.
Биметаллы испытываются на изгиб, скручивание, растяжение, повторное сжатие и на воздействие резкой перемены температуры с последующим продавливанием.
1. Получение биметаллов сваркой взрывом.
Наиболее перспективным технологическим процессом, позволяющим получать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов, является сварка взрывом.
Под определением «технологии сварки взрывом» понимается процесс соединения поверхностей 2-х металлических пластин, происходящий при их высокоскоростном соударении. Соударение металлов происходит при метании плакирующего металла на лист основного металла взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ) .
Неподвижную пластину (основание) 4 и метаемую пластину (облицовку) 3 располагают под углом α = 2-16° на заданном расстоянии h = 2-
Рис. 1. Угловая схема сварки взрывом до начала (а) и на стадии взрыва (б)
Соударение метаемой пластины и основания сопровождается пластической деформацией, вызывающей местный нагрев поверхностных слоев металла. В результате деформации и нагрева развиваются физический контакт, активация свариваемых поверхностей и образуются соединения.
Основная задача при создании технологии производства биметаллов – обеспечить прочное соединение слоев без изменения их исходных свойств. Наиболее полно эта задача решается при использовании метода сварки взрывом. При получении биметаллов сваркой взрывом слои металлов, из которых они состоят, сохраняют свойства, которыми они обладали до соединения.
1.1. Технологические основы промышленного производства биметаллов сваркой взрывом.
В настоящее время условия производства биметалла сваркой взрывом и его использования изменились. Отсутствие предложений такого биметалла на отечественном рынке восполняют зарубежные компании, в частности, из Франции, которые имеют хорошо отлаженное производство, включающее не только сварку взрывом, но и последующую термообработку, и отделку биметалла.
В связи с этим к современному производству биметалла сваркой взрывом должны быть предъявлены следующие требования:
– высокое качество при конкурентной цене;
– круглогодичность производства; сжатые сроки выполнения работ;
– обеспечение по требованию заказчика полного цикла производства, включая термообработку, отделку и проведение испытаний на соответствие требованиям стандартов и технических условий.
Высокое качество и круглогодичность производства обеспечиваются технологией производства. Для проведения работ в сжатые сроки необходимо иметь оборотный капитал и налаженные контакты поставки исходных материалов металлургическими предприятиями. Создание полного цикла производства биметалла, включающего сварку, термообработку и испытания требует значительных капитальных затрат. Поэтому при создании производственной базы в Подмосковье пошли по пути объединения возможностей предприятий и организаций для производства биметалла сваркой взрывом и использования мощностей крупных промышленных предприятий, располагающих соответствующим оборудованием. В результате в ООО «Битруб Интернэшнл» выработана и осуществлена схема производства, предусматривающая поставку с оптовых баз исходного металлопроката; подготовку его к сварке взрывом и проведение процесса сварки взрывом, контроль качества, отбор образцов для сертификационных испытаний и маркировка в ФКП «НИИ «Геодезия», термообработку и правку в ОАО «Машиностроительный завод «ЗИОПодольск» или ОАО «Дзержинскхиммаш». По этой схеме, начиная с 2004 года, производится до 4000м2 биметалла различного назначения, в основном виде двухслойных листов размером 1400х5900 мм.
Многолетний опыт производства биметалла сваркой взрывом показал, что его качество определяется правильностью выбора схемы сварки, рациональной технологией подготовки свариваемых поверхностей, зарядом взрывчатого вещества, опорой и возможностью сведения к минимуму влияния внешних факторов (температуры, осадков и т.п.). Для рационального решения этих вопросов при разработке промышленной технологии производства крупногабаритного биметалла сваркой взрывом в ее основу были положены следующие положения:
1. При выборе схемы сварки учитываются свойства свариваемых материалов, особенности деформации узких граней и обрезки нависаний плакирующего листа, результаты исследований и рекомендации работы. За основу технологии приняты методы сварки взрывом по авторскому свидетельству №317267, запатентованному в США (№3900147), Франции (№7245251), Англии (№1402276) и авторскому свидетельству № 653840, патенту РФ № 2237558. В зависимости от свойств свариваемых материалов процесс сварки осуществляется в среде защитных газов.
2. Разработка рациональной технологии подготовки вариваемыхповерхностей, как наиболее трудоемкая операция, производится на основании исследований влияния шероховатости свариваемых поверхностей и поверхностных загрязнений (влаги, ржавчины, окалины, масла и др.) с учетом свойств свариваемых материалов и требований к готовому биметаллу.
3. В отечественной и зарубежной практике для сварки взрывом используются низко скоростные аммиачноселитренные взрывчатые вещества, в том числе смеси аммиачной селитры с дизельным топливом. Использование в качестве взрывчатого вещества при сварке взрывом смеси гранулированной микропористой аммиачной селитры с дизельным топливом позволяет до минимума сократить применение промышленных ВВ, механизировать процесс приготовления смеси, обеспечить высокое качество сварки за счет стабильности состава и плотности заряда по всей его поверхности.
4. Для обеспечения круглогодичного производства биметалла в условиях Подмосковья и сведения к минимуму влияния внешних факторов технология предусматривает сборку пакетов основного и плакирующего листа в цехе, обеспечение заданного сварочного зазора, его герметизацию и сохранение при транспортировке и грузоподъемных операциях, подогрев пакета при отрицательных температурах. На площадке ведения взрывных работ производится только установка пакета на опору и раскладка заряда.
5. Контроль качества биметалла на соответствие ГОСТ 1088585, техническим условиям или техническим требованиям. Качество биметалла оценивается по сплошности сцепления слоев методом ультразвуковой дефектоскопии, прочности соединения на отрыв и срез, деформации. Результаты сертификационных испытаний биметалла после термической обработки в соответствии с ГОСТ 1088585 приведены в таблице 1.
1.2. Практические результаты производства биметалла сваркой взрывом.
В настоящее время производство биметалла сваркой взрывом сосредоточено в корпорации Dynamic Materials Corporation (США), которая владеет 2 заводами в США (объем производства 45 тысяч м2 в год), во Франции (16 тысяч м2 в год), в Швеции (7 тысяч м2). В Китае имеются 4 завода по производству биметалла сваркой взрывом. Основная номенклатура: двухслойные заготовки сталь – титан, сталь – коррозионностойкая сталь, сталь – медь, сталь – алюминий, сталь – никелевые сплавы и т.п. Потребители биметалла – предприятия нефтехимического и энергетического машиностроения. До 50% биметалла, производимого во Франции и Швеции, идет в Россию.
Для обеспечения ведущих отраслей машиностроения (нефтехимического, атомного, энергетического и др.) биметаллом ООО «Битруб Интернэшнл» и ФКП «НИИ «Геодезия» при участии
ИСМАН и ООО «Институт биметаллических сплавов» на территории испытательного полигона ФКП «НИИ «Геодезия» в г. Красноармейске Московской области была создана научнопроизводственная база по производству биметалла сваркой взрывом. Объем производства биметалла в 2005 году составил около
Развитие этих работ позволило разработать принципиально новую технологию сварки взрывом в среде защитных газов для производства биметалла сталь – титан. В 2005 - 2007 году по новой технологии плакированы заготовки трубных решеток марки сталь 20+ВТ10 размерами 38(30+8)х2700х2900 мм и 48(40+8)х1800х3400 мм для ОАО «Калужский турбинный завод». Заготовки соответствуют ТУ 27.81.09.0092005 «Заготовки двухслойные сталь – титан, полученные сваркой взрывом», одобренные Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (письмо № 0607/298 от 24.03.05) и третьему уровню сплошности сцепления по NC 501 (Франция), а также требованиям AD Merkblatt W8, Iuli 1987, спецификация 1264 от 4.85. Сплошность соединения слоев – 100% по нулевому классу. Прочность соединения, определенная в различных зонах листа: на срез – не ниже 150 МПа, на отрыв – выше 250 МПа. Структура зоны соединения волнистая без хрупких включений. Деформации после термообработки и правки на вальцах в холодную в пределах допуска.
2. Устройство для прессования биметаллических изделий из порошков.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для прессования биметаллических изделий из порошков. Цель изобретения - повышение качества изделий. Порошок засыпают в полости, образованные стенками матрицы, торцами пуансонов 1, стенками перегородок 7, 8 и торцами плунжеров 13, 14. При предварительном прессовании порошка происходит смещение поверхностных слоев на величину С, равную 0,08-0,12 толщины соответствующего слоя отпрессованного брикета, за счет чего возникают сдвиговые деформации на границе слоев, вызывающие интенсивное разрушение окисных пленок и шлаковых включений на частицах порошка. Затем пуансонами 1 осуществляют окончательное прессование брикета, в котором прочность сцепления отдельных слоев увеличена по сравнению с известными устройствами, что обеспечивает повышение качества и увеличение срока службы изделий.
Рис. 2
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам
для прессования биметаллических изделий из порошков.
Целью изобретения является повышение качества изделий.
На рис.2 схематично показано предлагаемое устройство после засыпки порошка, поперечный разрез; на рис.3 - то же, в конце предварительного прессования (штрихпунктирной линией - в конце прессования); на рис.4 - разрез А-А на рис.2; на рис.5 - узел I на рис.2; на рис.6 - вид Б на рис.4.
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
Устройство содержит пуансоны 1 и матрицу, состоящую из корпуса 2, верхней 3 и нижней 4 плит, связанных между собой шпильками 5. Внутри матрицы перпендикулярно плоскости В, проходящей через ось пуансонов 1, по обе стороны установлены в шахматном порядке с возможностью возвратно-поступательного перемещения по направляющим шпонкам 6 перегородки 7 и 8.
На боковых поверхностях перегородок 7, не соприкасающихся со стенками матрицы, установлены на упругих элементах 9 планки 10, которые своими Т-образными зацепами 11 входят в соответствующие пазы 12 перегородок 7, при этом зацепы входят в пазы перегородок с образованием зазора 8 между дном паза и торцом зацепа, определяемого по формуле
где h - толщина соответствующего слоя отпрессованного брикета, мм;
∆ - величина перекрытия торца планки 10 с торцом перегородки
Величину ∆ принимают равной 1-2мм для компенсации смещения осей перегородок 7 и 8 друг относительно друга и предотвращения при этом просыпания порошка в зазоры между торцами перегородок 7 и 8, а первое слагаемое формулы
(0,08-0,12)h = С,
где С - смещение поверхностей каждого слоя порошка, прилегающего к планкам, относительно поверхностей слоев порошка, находящегося между перегородками без планок.
В зазорах между перегородками 7 и 8 установлены плунжеры 13 и 14, причем на боковых поверхностях плунжеров 13, прилегающих к планкам 10 перегородок 7, установлены на упругих элементах 15 планки 16, предназначенные для предотвращения утечки порошка в процессе предварительного прессования, которые своими зацепами 17 входят в соответствующие пазы 18. Перегородки 7 и 8 и плунжеры 13 и 14 связаны со штоками гидроцилиндров 19 и 20.
На верхней плите 3 по осям плунжеров 13 и 14 выполнены загрузочные окна 21, в которых размещены съемные заглушки 22, а в направляющих 23 установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения дозаторы 24.
Устройство работает следующим образом.
В начальный момент перегородки 7 и 8 гидроцилиндрами 20 перемещают в край-нее положение навстречу друг другу до их соприкосновения в плоскости В. В этом положении торцы перегородок 8 соприкасаются в плоскости В с торцами планок 10. Затем включают привод перемещения пуансонов 1 (не показан) и вводят последние в матрицу до соприкосновения с крайними перегородками 7 и 8-, при этом плунжеры 13 и 14 при помощи гидроцилиндров 19 отведены в крайнее положение от плоскости В. После этого снимают заглушки 22, открывая загрузочные окна 21, и по направляющим 23 дозаторы 24 перемещают к загрузочным окнам 21, через которые порошок загружают в замкнутые полости, образованные стенками матрицы, торцами пуансонов, стенками перегородок и торцами плунжеров. Затем дозаторы 24 возвращают в исходное положение и загрузочные окна 21 закрывают заглушками 22.
Начинают период предварительного прессования порошка, для чего в гидроцилиндры 19 и 20 привода плунжеров 13 и 14 и перегородок 7 и 8 подают рабочую жидкость под давлением, обеспечивающим усилие предварительного прессования. При этом происходит перемещение плунжеров 13 и 14 в направлении плоскости В, что ведет к уплотнению порошка в замкнутых полостях, а это вызывает появление бокового давления Р на планки 10 и торцы перегородок 7 и 8. При этом боковое усилие, действующее на планки 10 со стороны порошка, вызывает деформацию упругих элементов 9, максимальная величина которой равна 5, в результате чего между боковыми стенками перегородок 8 и планками 10 перегородок 7 образуется зазор С (рис.5), что приводит к смещению поверхностей каждого слоя порошка, прилегающего к планкам 10, относительно поверхностей слоев порошка, находящегося между перегородками 8. Одновременно планки 16 плунжеров 13 под действием упругих элементов 15 находятся в постоянном контакте с планками 10 перегородок 7.
При достижении максимального предварительного усилия прессования со стороны плунжеров 13 и 14 полости гидроцилиндров 20 привода перегородок 7 и 8 соединяют со сливом, при этом перегородки 7 и 8 под действием постоянно действующего на них давления со стороны плунжеров 13 и 14 через предварительно спрессованные слои порошка начинают перемещаться в направлении от плоскости В, а сами слои движутся навстречу друг другу. Наличие указанного смещения С поверхностей каждого слоя порошка друг относительно друга приводит к запрессовке одного слоя в другой. В результате на этих поверхностях возникают значительные силы трения, вызывающие сдвиговые деформации, приводящие к интенсивному разрушению окисных пленок и шлаковых включений на частицах порошка, а также к интенсивному взаимному перемешиванию частиц порошка, находящихся в поверхностных слоях.
Период предварительного прессования (запрессовка отдельных слоев друг в друга) продолжается до тех пор, пока торцы перегородок 7 и торцы плунжеров 13 не совпадут с плоскостью окна матрицы Г, а торцы перегородок 8 и торцы плунжеров 14 - с плоскостью окна матрицы Д. После этого начинается период окончательного прессования пуансонами 1 от гидроцилиндров устройства (не показан) до получения конечной высоты биметаллического брикета, равной Нк.
Затем полости гидроцилиндров 19 привода плунжеров 13 и 14 соединяют со сливом, один из пуансонов 1 отводят из матрицы в крайнее положение, а другим осуществляют выталкивание отпрессованного брикета, после чего и выводят из матрицы.
Затея перегородки 7 и 8 гидроцилиндрами 20 перемещают в крайнее положение навстречу друг другу до их соприкосновения в плоскости В, при котором торцы пе- регородок 8 соприкасаются в плоскости В с торцами планок 10, а плунжеры 13 и 14 с помощью гидроцилиндров 19 отводят в крайнее положение от плоскости В и пуансоны 1 вводят в матрицу до соприкосновения с крайними перегородками 7 и 8, после чего цикл прессования повторяют.
Предлагаемое устройство позволяет осуществлять запрессовку отдельных слоев друг в друга на величину С, равную 0,08-0,12 толщины соответствующего слоя отпрессованного брикета, в результате чего на поверхностях контакта отдельных слоев возникают значительные силы трения, вызывающие сдвиговые деформации, что приводит к интенсивному разрушению окисных пленок и шлаковых включений на частицах порошка, а также к интенсивному взаимному перемешиванию частиц по-
рошка, находящихся в поверхностных слоях, и увеличению сцепления отдельных слоев брикета за счет увеличения металлического контакта между частицами порошка, находящегося на соединяемых поверхностях, и, следовательно, повысить качество отпрессованных биметаллических брикетов.
При значениях С, меньших 0,08 толщины соответствующего слоя отпрессованного брикета, уменьшается интенсивность разрушения окисных пленок и шлаковых включений из-за недостаточного удельного давления между отдельными слоями, необходимого для их разрушения, что уменьшает прочность соединения слоев друг с другом.
Увеличение значения С больше 0,12 толщины соответствующего слоя отпрессованного брикета практически не влияет на увеличение интенсивности разрушения окисных пленок и шлаковых включений и не приводит к заметному увеличению прочности связи отдельных слоев отпрессованного биметаллического брикета.
Пример. Устройство опробовано при прессовании биметаллического брикета, состоящего из четырех слоев с толщиной каждого слоя 50 мл, наружные слои которого состоят из железного порошка марки Ж 90-76, а внутренние - из железного порошка ПЖ2М1.
Усилие предварительного прессования 150кН, а усилие окончательного прессования 1000кН. После прессования брикеты подвергались термообработке при 1000°С в течение 30 мин.
Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет улучшить механические свойства спрессованного биметаллического брикета за счет повышения прочности сцепления отдельных слоев, в результате чего повышается качество готовых изделий, а следовательно, увеличивается срок их службы примерно в 1,5 раза.
3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА БИМЕТАЛЛОВ
3. 1. Контроль прочности сцепления и соотношения толщин слоев биметаллов.
Известные методы контроля биметаллического проката на прочность сцепления его слоев можно подразделить на три группы. К первой группе относятся способы технологических испытаний, качественно характеризующих прочность сварки слоев: испытание зубилом, выдавливанием цилиндрических стаканчиков или лунок по Эриксену, на загиб (перегиб), кручение и др.
Ко второй группе относятся способы количественной оценки прочности сцепления слоев: испытания на отрыв и срез слоев при статическом или динамическом нагружении.
К третьей группе относятся физические методы контроля качества биметаллических материалов без их разрушения.
Метод качественного определения прочности сцепления слоев с помощью зубила используют в основном при производстве и применении антифрикционных подшипниковых биметаллов армко-железо — сплав АСМ и сталь 08кп — сплав АО20-1.
Из биметаллических полос вырезают образцы вдоль направления прокатки размерами 20—30x150—200 мм. Образец зажимают в тиски и подрубают его зубилом со стороны сплава. При значительной толщине плакирующего слоя делают неполное подрубание сплава; образец перегибают в сторону сплава и затем в сторону стали до образования трещины на сплаве. После этого образец отгибают в сторону стали на 90° (до касания губок тисков). Зубило вставляют в образовавшуюся трещину между слоями так, чтобы срубание сплава происходило по всей ширине образца. Ударами молотка по зубилу производят скалывание слоя антифрикционного сплава со стальной основы. Если зубило проходит по границе раздела слоев с большим трудом, врубаясь в алюминиевый сплав, то считают, что биметалл имеет надежную прочность сцепления слоев и годен для изготовления вкладышей подшипников. Если же зубило при ударе перемещается по межслойной границе, то прочность сцепления является неудовлетворительной и биметалл бракуют.
Несколько отличается от рассмотренного способа проверки качества биметаллического проката по прочности сцепления слоев метод английской фирмы «Гласиер», применяемый на Заволжском моторном заводе. После получения трещины на сплаве в нее вставляют зубило и ударами молотка по зубилу поднимают слой сплава длинной примерно
Для оценки прочности сцепления тонколистовых биметаллов с очень тонким покрытием, например тонколистовой стали и жести с алюминиевым покрытием, целесообразно применять испытания на загиб с перегибом или выдавливание лунок на приборе Эриксена.
Испытание на загиб проводят на разрывной машине с установкой биметаллического образца на опоры и изгибом его вокруг оправки, имеющей диаметр, кратный толщине листа а в пределах а ≤ d ≤ 4а. Ширина образца обычно равна удвоенной толщине листа, но не менее
Испытанию на перегиб подвергают биметаллические листы толщиной не более
= 2а +
Образец зажимают в губки прибора в вертикальном положении и затем попеременно загибают в правую и левую стороны на 90° со скоростью не более 60 перегибов в минуту. Испытание проводят до разрушения образца с фиксацией соответствующего числа перегибов. Признаком качественного сцепления слоев считается отсутствие в изломе отслоения плакирующего слоя. Если при испытании плакированных материалов на выдавливание лунки по Эриксену или разрывных образцов биметалл ведет себя как монометалл, т.е. отсутствует отслоение покрытия, то считают, что в биметалле достигнуто надежное сцепление слоев. Косвенно о прочности сцепления слоев можно судить также при испытании образцов на скручивание.
В настоящее время для определения прочности сцепления слоев биметаллов преимущественно применяют методы количественной оценки с помощью испытаний на отрыв и срез слоев при статическом или динамическом нагружении.
Известные схемы испытаний при статическом нагружении на отрыв и срез слоев приведены на рис. 7 и 8. Из приведенных схем испытаний на отрыв слоев наиболее широкое распространение получил метод отрыва по кольцевому контуру (рис. 7, а). Образец биметалла обрабатывают на токарном станке; диаметр расточки внутреннего цилиндра выбирают обычно опытным путем таким образом, чтобы максимальное усилие отрыва слоев по кольцевому контуру не превосходило усилия на срез слоя плакировки. Обычно ширина кольцевой площадки составляет 1,5—3 мм. Испытание при статических нагрузках производят на разрывных машинах. Образец устанавливают на подкладное кольцо и пуансоном осуществляют отрыв нижнего слоя.
Рис. 7. Способы определения прочности сцепления слоев биметаллов при испытании на отрыв:
а – образец с кольцевым контуром; б – с прямоуголыным контуром;
в – образцы с тонким плакирующим слоем; г – микрообразцы.
Прочность сцепления слоев в Мн/м2 (кГ/мм2) определяют делением максимального усилия отрыва на величину площади кольца. Значительно реже применяют метод испытаний на отрыв слоев с прямыми пазами (рис. 7,6). Для испытаний по схеме, приведенной на рис. 7, в, трудно и сложно готовить образцы, поэтому она не получила широкого применения. Для определения прочности сцепления слоев биметаллов значительных толщин (более
В биметаллических пластинках размерами 60x60 мм в центре высверливают отверстие диаметром 8—10 мм. Затем пластинку крепят на державке, вставленной в патрон токарного станка. Далее производят расточку двух кольцевых пазов в обоих слоях с различными диаметрами, чтобы получилась кольцевая площадка шириной 2 –
Наиболее простым в изготовлении образцов и проведении испытаний прочности сцепления слоев биметаллов на срез является способ растяжения плоских образцов с поперечными надрезами слоев (рис. 8,а). Для исключения возможных ошибок в оценке прочности сцепления надрезы следует делать на глубину, превышающую толщину соответствующего слоя на 0,1‑0,5 мм. Ширину площадки среза выбирают из следующего условия: возможное усилие среза должно быть меньше усилия разрыва в опасном сечении менее прочного компонента биметалла. Обычно она равна 2-
Образец зажимают в захватах разрывной машины и подвергают растяжению. Делением максимальной нагрузки на величину площади сдвига определяют прочность сцепления слоев на срез в Мн/м2 (кГ/мм2). Этот метод особенно удобен для испытания биметаллов с одинаковой толщиной слоев. В случае различной толщины слоев при растяжении может наблюдаться некоторый изгиб образцов, который оказывает влияние на результаты испытаний на срез. Поэтому для получения стабильных и сопоставимых данных о прочности сцепления слоев биметаллов необходимо сфрезеровывать толстый слой до размеров тонкого или при подготовке образцов для испытания обеспечивать постоянное соотношение между их толщинами.
|
|
|
|
|
Рис. 8. Способы определения прочности сцепления слоев биметалла при испытании на срез на разрывной машине (а), прессе (б) и в специальном приспособлении (в):
1 – стальная основа (б) и образец (в); 2 – плакирующий слой (б) и обойма (в); 3 – зажимы для образца (б) и подвижной шток (в)
На ряде заводов для оценки прочности сцепления слоев биметалла на срез успешно применяют второй способ (рис. 8,б), для чего на одной стороне образца сфрезеровывают слой менее прочного компонента, оставляя лишь узкую полоску его шириной, равной примерно
полуторной толщине этого слоя.
Образец устанавливают в прессформу между плоскими плитами так, чтобы он узкой полоской опирался на одну из них, и производят его осадку. Аналогичным образом испытывают антифрикционные биметаллы по методу английской фирмы «Гласиер» на Заволжском моторном заводе. Из биметаллических полос вырубают на прессе круглые дисковые образцы и производят стравливание или сфрезеровывание слоя сплава, оставляя узкую полоску его в центре образца. При фрезеровании снимают не только сплав, но и стальную основу на глубину
В тех случаях, когда изделия, изготовленные из биметаллов, в условиях эксплуатации подвергаются быстро возникающим переменным нагрузкам и ударам, целесообразно проводить оценку прочности сцепления слоев биметаллов на отрыв и срез при динамическом нагружении.
На рис. 9, а показаны образец и схема испытаний на ударный отрыв, предложенные Н. Д. Лукашкиным и В. К. Королем для биметаллов сталь — высокопрочные алюминиевые сплавы с одинаковой толщиной слоев. Испытание осуществляют на маятниковом копре. Критерием оценки прочности сцепления слоев служит удельная работа отрыва образца, которая определяется по формуле
где Ак — ударная работа, кн·м (кГ·м);
а и b
— размеры площадки отрыва, м.
Подобным образом проводят испытание на ударный отрыв тонких антифрикционных биметаллов по методу, разработанному Ю. Я. Зильбергом. Им же предложен метод испытания на ударный срез плакирующего слоя (рис. 9,б). Образец 3, имеющий фрезерованную канавку, крепится болтом 6 к направляющей 5, шарнирно соединенной с вилкой 2, которая ввинчивается в тыльную часть маятника копра. На направляющую надет ползун 4, к которому прикреплен нож 1, находящийся в прорези образца. Во время удара ползуна 4 о выносные упоры копра происходит срез или скол (частичный или полный) плакирующего слоя.
Размеры площадок для динамического отрыва и среза слоев биметаллов зависят от ряда физико-механических свойств менее прочного компонента биметалла и подбираются опытным путем. Ударные испытания следует проводить на копрах, мощность маятника которых близка к величине работы, необходимой для испытания заданных образцов. Тогда достигается требуемая, точность результатов проводимых испытаний.
Рассмотренные методы качественной и количественной оценки прочности сцепления слоев применяют для выборочного контроля биметаллического проката. Такая методика не исключает выпуск отдельной биметаллической продукции с непрочным сцеплением слоев и местными участками расслоения по границе раздела. Вследствие этого наблюдаются значительные потери металла при изготовлении различных изделий из биметаллического проката, а в ряде случаев возможны аварии агрегатов при эксплуатации, в которых был применен биметалл с внутренними дефектами (расслоение, трещины, поры и т. п.).
Поэтому для повышения надежности и долговечности работы машин и аппаратов, изготовляемых из биметаллов, необходимо проводить 100%-ный контроль их качества и применять для этих целей физические методы испытаний биметаллического проката без его разрушения.
|
Рис. 9. Способы испытаний прочности сцепления слоев биметаллов на динамический отрыв (а) и срез (б):
1 – опоры копра; 2 – биметаллический образец (М1-мягкий компонент; М2-твёрдый компонент); 3 – боек
|
Контроль сплошности слоев (расслоений) наиболее целесообразно осуществлять с помощью ультразвука. Исследования показали, что ультразвуковым способом довольно четко определяются границы зон несварки слоев различных листовых биметаллов в сочетании углеродистой стали с нержавеющими сталями, медью, латунью, никелем, серебром и алюминиевыми сплавами. Сопоставительная проверка зон расслоения испытанием на отрыв и срез слоев подтвердила результаты исследований ультразвуком. Переход от нерасслоившегося биметалла, к расслоившемуся носит резкий, ступенчатый характер.
Для контроля расслоений целесообразно применять ультразвуковые продольные волны и волны интерференционного типа с частотами колебаний 2,5—5,0 Мгц При этом контроль можно производить как зеркально-теневым, так и эхо-методом. При контроле продольными ультразвуковыми волнами наибольшей чувствительностью обладает эхо-метод. Этим методом выявляются расслоения с минимальной площадью 8 мм2, а зеркально-теневым 60 мм2, при этом толщина обнаруживаемых расслоений соответственно равна 5—10 и 2—5 мкм.
Для ультразвукового контроля качества биметаллического проката могут применяться существующие образцы приборов типа УЗУЛ, УДМ-1М, УЗД-7Н, УЗДЛ-61-2М и др.
Установка УЗУЛ предназначена для промышленного выявления внутренних дефектов листового проката шириной до
При использовании ультразвукового дефектоскопа УДМ-1М контроль расслоений проводится прямыми щупами. Наиболее удобна для контроля однощуповая схема, но при этом минимальная толщина проверяемого биметалла при частоте ультразвуковых колебаний 2,5 Мгц составляет
Измерение толщин слоев в биметаллическом прокате может производиться различными способами в зависимости от вида биметалла, его размеров, условий изготовления, методов контроля (выборочный или стопроцентный) и т. п. Необходимость тщательного контроля толщин слоев биметаллических материалов обусловлена тем, что от соотношения толщин слоев компонентов биметалла в значительной мере зависят его физико-механические свойства (предел прочности, текучести, относительное удлинение, антифрикционные и антикоррозионные свойства, электро- и теплопроводность и т. п.) и эксплуатационные характеристики.
Выборочный контроль толщин слоев биметаллов сталь — цветные металлы при малой толщине слоев осуществляют на шлифах под микроскопом или замером общей толщины биметалла и стального основания после стравливания плакирующего слоя. Можно измерять толщины слоев биметалла обычными микрометрами после искусственного расслоения. Например, биметалл сталь – алюминий и его сплавы можно легко расслоить после нагрева до температур 520—620° С и быстрого охлаждения (в воде). Просто контролируются толщины слоев биметаллического проката, изготовляемого по способу пакетной прокатки с однокомпонентной деформацией.
Для массового контроля толщин слоев биметаллов сталь — цветные металлы широко применяют различные толщиномеры. Поскольку один компонент этих биметаллов является немагнитным или слабомагнитным а другой компонент (стальная основа) — ферромагнитным, то преимущественно применяют индуктивные и магнитные (электромагнитные) толщиномеры.
Индуктивный толщиномер типа ИТ-1 предназначен для измерения толщины слоя алюминиевого антифрикционного сплава биметалла армко-железо — сплав АСМ.
Принцип действия прибора основан на изменении индуктивности в зависимости от толщины немагнитного покрытия. С уменьшением толщины покрытия индуктивность катушки возрастает и, наоборот, с увеличением толщины уменьшается. С помощью прибора измеряют толщину покрытия в пределах 0,05—1,9 мм с точностью до 0,03—0,05 мм. В процессе эксплуатации прибора рекомендуется его показания проверять по контрольным эталонам, имеющимся в комплекте прибора.
Для определения толщин слоев в более широком диапазоне в работе рекомендуют применять толщиномеры магнитного отрывного типа ТФ-1 и ТФ-2. Их физической основой является зависимость силы притяжения, постоянного магнита или сердечника электромагнита от расстояния до ферромагнитной поверхности. Эта сила уменьшается с ростом толщины немагнитного слоя. Данные приборы позволяют измерять толщину плакирующего слоя в диапазоне от нескольких микрон до 8—10 мм. Точность измерения довольно высокая и колеблется в зависимости от конструкции прибора в пределах 1—10%.
3.2. Контроль механических
и эксплуатационных свойств биметаллов.
Контроль механических и эксплуатационных свойств биметаллического проката сталь — цветные металлы различного назначения осуществляют в соответствии с требованиями ГОСТов или технических условий, а также по согласованию с потребителями биметаллов, где и оговариваются необходимые методы выполнения контрольных испытаний. Рассмотрим в качестве примеров методы контроля качества биметаллических полос сталь — сплав АСМ и тонколистовой холоднокатаной стали и жести с алюминиевым покрытием.
Механические свойства (пределы прочности и текучести, относительное удлинение) антифрикционного биметалла сталь — сплав АСМ, согласно ВТУ 5739—62, не проверяют. Контролируют только твердость стальной основы и плакировки, а также микроструктуру алюминиевого сплава. Испытание на твердость слоя плакирующего сплава производят по ГОСТ 9012—59, а стального основания — по ГОСТ 9013 —59. Для получения достоверных результатов измерения твердости плакировки следует выполнять на образцах, имеющих толщину, в 10 и более раз превышающую глубину получаемого при измерении отпечатка. Наиболее достоверные результаты по твердости плакирующего слоя получаются при испытании на машине типа Виккерс с нагрузкой 153 н (15,6 кГ) и шариком диаметром
В, для алюминиевого слоя 23—30 НВ.
В соответствии с требованиями ГОСТ 914—56 и ГОСТ Ф045—59, у тонколистовой холоднокатаной плакированной алюминием стали контролируют следующие механические характеристики:
1) временное сопротивление и предел текучести в Мн/м2 (кГ/мм2) и относительное удлинение в %;
2) глубину лунки выдавливания по Эриксену в мм и загиб на 180°;
3) микроструктуру стальной основы;
4) твердость стальной основы по Роквеллу.
Испытание на растяжение проводят по методике ГОСТ 1497—61 на плоских образцах шириной
=11,3
согласно ОСТ 1683. При контроле механических свойств и числа загибов следует наблюдать за поведением алюминиевой плакировки, поскольку ее отслоение не допускается, и при наличии местных расслоений искажаются
результаты испытаний. Иначе говоря, плакированная алюминием сталь должна рассматриваться как монометалл.
Определение величины зерна, полосчатости и структурно-свободного цементита осуществляют соответственно по ГОСТ 5639—65 и ГОСТ 5640—59.
Таким образом, методы контроля, применяемые, для однородных металлов, в равной мере могут успешно применяться для контрольных испытаний биметаллического проката сталь — цветные металлы с учетом ряда его особенностей.
Заключение
Коррозионностойкие биметаллы, в которых дорогостоящие дефицитные металлы и сложнолегированные стали и сплавы используются в качестве относительно тонких слоев в сочетании с более дешевым металлом основного слоя, находят широкое применение в различных отраслях машиностроения.
Важнейшими показателями качества двухслойного проката, определяющими его технологичность при изготовлении оборудования и эксплуатационные свойства изделия, являются сплошность и прочность соединения слоев, структура и свойства плакирующего слоя и переходной зоны. Существующие способы получения биметаллов не отвечают современным требованиям (прочность сцепления слоев не ниже 300 Н/мм2 при гарантированной сплошности соединения их на уровне класса сплошности 0 и 1 по ГОСТ 10885, повышенная коррозионная стойкость плакирующего слоя по сравнению с нержавеющими сталями, широкий размерный сортамент, экономичность технологии).
Поэтому актуальной является проблема не только разработки современных надежных и экономичных технологий получения биметаллов и создания на этой основе качественно новых видов биметаллической металлопродукции, но и создание новых экономнолегированных марок сталей плакирующего слоя обладающих повышенной коррозионной стойкостью.
Список используемой литературы
1. Голованенко С. А., Меандров Л. В. Производство биметаллов. – М.: Металлургия, 1966. – 304 с.
2. Биметаллический прокат. М.: Металлургия, 1970.-264 с.
3. Король В. К., Гильденгорн М. С. Основы технологии производства многослойных металлов. – М.: Металлургия, 1970. – 237 с.
