Технологии производства биметаллов литьем.

Производство слоистых заготовок с помощью заливки жидким металлом твердой составляющей. С помощью литья получают слоистые заготовки для дальнейшей горячей обработки давлением (прокатки, прессования и др.). Наиболее простой способ – заливка жидким металлом пластины или стержня, установленных в изложницы. Весьма эффективен он в производстве слоистых заготовок, идущих на изготовление толстолистовых коррозионностойких композиций.

Чтобы получить заготовки для двухслойных листов, сляб прострагивают и обезжиривают, затем после приварки к нему штырей устанавливают в изложнице. Через сифон изложницы наполняют жидкой сталью (углеродистой или низкоуглеродистой). Металл, заполнивший зазор между слябом и стенкой изложницы, образует защитный слой, предохраняющий поверхность сляба от окисления.

При установке в центре изложницы двух слябов, разделение их по поверхности соприкосновения производят огнеупорной обмазкой, что предотвращает их сваривание. По периметру слябы соединяют электросваркой. В результате прокатки такого сляба получают два двухслойных листа. Существует также способ заливки жидкого металла в форму из плакируемого металла или непосредственно на плакирующую пластину, к которой приварен бортик из листового металла. Если температура плавления плакирующего металла существенно ниже, чем металла основы, то может быть применено расплавление плакирующего металла непосредственно на основе.

Способ получения биметалла с коррозионностойким плакирующим слоем заключается в следующем. Заготовку из металла основного слоя помещают в изложницу, верхнюю поверхность ее заливают слоем выплавленного в шлакоплавильной печи шлака. С помощью нерасходуемых электродов поверхность заготовки нагревают до температуры сплавления металлов основного и плакирующего слоев. При электрошлаковом нагреве происходит очистка поверхности заготовки основного слоя от окалины и загрязнении. При достижении заданной температуры на заготовку заливают коррозионностойкую сталь. Происходит сплавление металлов основного и плакирующего слоев и кристаллизация залитого металла. Путем регулирования температуры шлаковой зоны создают режим кристаллизации, предотвращающий образование в металле плакирующего слоя дефектов усадочного характера.

Производство слоистых заготовок последовательной и одновременной заливки металлов. В производстве слоистых заготовок используют также последовательную и одновременную заливку двух и более жидких металлов в изложницу. Это обеспечивает более прочное соединение слоев, чем заливка жидким металлом твердой составляющей. Кроме того, исключаются операции подготовки поверхностей твердой составляющей. Для последовательной заливки в изложницу устанавливают перегородку, которую удаляют после частичного затвердевания первого из заливаемых металлов. Когда требуется отлить заготовки небольшого сечения, применяются разъемные изложницы с вкладышем, размеры которого соответствуют размерам слоя, образуемого от заливки второго металла. После заливки второго металла, вкладыш извлекают из изложницы, а образовавшееся пространство заполняют вторым металлом. Одновременную заливку двух металлов производят в изложницу с тонкой перегородкой, которая оплавляется, но не допускает смешивания металлов.

Методы отливки слоистых металлов в изложницы более экономичны, чем метод прокатки, однако применение их ограничено такими особенностями технологии, как невозможность качественного заполнения узких зазоров между стенками изложницы и пластинами (сердечниками), расплавление пластин в случае, если температура их плавления ниже температуры жидкого металла. Кроме того, литейный метод не пригоден для получения композиций из составляющих, которые образуют на границе раздела интерметаллические включения и легкосплавные эвтектики.

Непрерывное литье. Одним из перспективных направлений в производстве слоистых материалов является непрерывная отливка плоских и цилиндрических заготовок для последующей пластической деформации. Этот способ позволяет обеспечить значительно большую производительность труда, более низкую себестоимость готовых изделий, создать благоприятные условия для механизации и автоматизации производственных процессов, исключить экологически вредные операции травления и абразивной зачистки металла.

Существует две разновидности непрерывной отливки слоистых металлов: отливка заготовок из двух или более жидких металлов, получение заготовок из твердого и жидкого металлов.

Устройство для отливки биметаллических заготовок состоит из двух водоохлаждаемых цилиндрических кристаллизаторов, соединенных между собой. В верхний кристаллизатор вставлен полый водоохлаждаемый стержень. Снизу в кристаллизатор вводят ступенчатый стержень-затравку, верхний торец которого контактирует с торцом полого стержня. Диаметры верхней и нижней частей ступенчатого стержня соответствуют внутренним диаметрам верхнего и нижнего кристаллизаторов. Жидкие металлы заливают одновременно: основного слоя в верхний кристаллизатор, плакирующего - в нижний. После застывания первых порций металла стержень-затравку начинают вытягивать вниз.

Применяют в производстве электродуговую плавку, электронно-лучевой и электрошлаковый переплав металла в вакуумной печи.

Для получения слоистых заготовок из твердого и жидкого металлов используют также несколько методов. Один из них такой: из верхнего кристаллизатора вытягивается литая заготовка основного металла, во втором кристаллизаторе эта заготовка плакируется жидким металлом. Существует способ, при котором металл основного слоя заливают на движущуюся плакирующую ленту, в результате из кристаллизатора выходит биметаллическая полоса. Аналогичным образом изготовляют и трехслойную заготовку; металл основного слоя заливают в полость между двумя полосами плакирующего металла.

На базе промышленной МНЛЗ вертикального типа создана машина непрерывного разливки биметаллов, на которой разливаются двух- и трехслойные заготовки, сечением 220x640 мм с соотношением толщины плакирующего и основного слоев соответственно 1:2 и 1:1:1. В качестве металла основного слоя используют углеродистые стали, а в качестве плакирующего - среднеуглеродистые, высокоуглеродистые и нержавеющие.

Схема непрерывной отливки трехслойной заготовки для прокатки листа, предназначенного для производства отвалов плугов состоит в следующем: верхний кристаллизатор предназначен для формирования заготовки из основного металла, а нижний - из плакирующего. Металл основного слоя поступает из сталеразливочного ковша подаваемого краном, а металл плакирующего слоя - из ковша, установленного на стенде. Формирующаяся в верхнем кристаллизаторе заготовка перемещается в нижний кристаллизатор, куда поступает металл плакирующего слоя. В результате получается биметаллическая заготовка, которая в дальнейшем проходит через те же агрегаты, что и в обычной МНЛЗ, подвергаясь при этом вторичному охлаждению и газовой резке на мерные длины. Для отливки двухслойных заготовок на описанной установке верхний катализатор необходимо сместить относительно нижнего так, чтобы их правые и левые широкие грани были расположены на одной оси.

Перспективен способ непрерывного литья металла основного слоя и последующего плакирования заготовки полосовым металлом в ходе совместной прокатки. Установка, на которой реализуется данный способ, состоит из машины для непрерывного литья расплавленного металла с системой кристаллизации слитка, устройства для подачи плакирующей полосы на одну или две стороны затвердевшего слитка (основного слоя) и прокатного стана. В машину для непрерывного литья заливают расплавленный металл основного слоя будущей слоистой композиции. Затвердевая, металл принимает форму непрерывной полосы, которая выходит из охлаждающего устройства машины и поступает к прокатному стану. Расположенные перед станом подающие устройства (разматыватели) направляют плакирующие полосы к входной стороне стана. Таким образом, в валки задается двух- или трехслойный пакет из горячей литой полосы (основной слой) и одной или двух холодных полос (плакирующий слой). В результате прокатки из стана выходит непрерывная двух- или трехслойная лента. При необходимости можно применять устройство, обеспечивающее более полный и равномерный подогрев плакирующих полос от контакта с горячей литой полосой перед их поступлением в прокатный стан. Для этого между прокатным станом и устройством для подачи плакирующих полос устанавливают узел подогрева - закрытую камеру с направляющим устройством. Проходя через камеру, плакирующие полосы нагреваются от горячей литой полосы основного слоя.

Слоистые слитки круглого сечения получают также метолом вакуумного дугового переплава. При этом металл внутреннего слоя заливают в установленную в кристаллизаторе полукруглую вставку (гильзу) из металла наружного слоя, используют расходуемые электроды.

Центробежное литье. Этот способ производства биметаллических труб или заготовок заключается в последовательной заливке расплавленных металлов основного и плакирующего слоев во вращающуюся форму или заливке, расплавленного металла плакирующего слоя в заранее изготовленную гильзу из металла основного слоя, механически обработанную и подогретую. Центробежное литье обеспечивает достаточную прочность соединения слоев металла. Недостатками способа являются: возможность получения труб с наружным слоем из легкоплавких металлов, перемешивание металлов в переходной зоне, ограниченные размеры труб (по длине и внутреннему диаметру), повышенная разностенность обоих слоев, ограниченность выбора соединяемых металлов.

К центробежному литью в настоящее время прибегают для изготовления биметаллических труб и заготовок размерами (83…900) х (10…250) мм, а комбинированному способу в сочетании с горячей или холодной пластической деформацией - трубы с наружным диаметром 6…550 мм и толщиной стенки 1 мм и более, а также биметаллических прутков диаметром 20…100 мм.

Выплавку металла основного и плакирующего слоев осуществляют в индукционных и дуговых печах, шлака - в индукционных печах с графитовым тиглем. Заливку металлов и шлака во вращающийся кокиль ведут в такой последовательности: сначала металл наружного слоя, потом шлак, и, наконец, металл внутреннего слоя.

Шлак заливают для предотвращения образования усадочной рыхлости на свободной поверхности затвердевшего первого металла, а также окисления и насыщения ее газами из атмосферы, для очищения ее от тугоплавких неметаллических включений. После затвердения металла, покрытого слоем расплавленного шлака, заливают второй металл. Шлак всплывает на поверхность залитого металла. В результате размыва и перемешивания составляющих слоев образуется прочное соединение. Для получения качественных биметаллических труб и заготовок используют шлак из недорогих и недефицитных материалов. При этом он должен обладать такими свойствами, как легкоплавкость, способность хорошо растворять неметаллические загрязнения и не вступать во взаимодействие с соединяемыми металлами, должен защищать металл от охлаждения, окисления и насыщения газами из атмосферы, легко удаляться с границы соединения металлов. Температура затвердевания шлака должна быть на 400…900 °С ниже температуры затвердевания более легкоплавкого металла, а кипения - выше температуры перегрева жидкого металла, так как испарение шлака приводит к значительному охлаждению поверхности металла, вызывая образование усадочной и газовой пористости на свободных поверхностях первого, а затем и второго металлов.

Следует отметить, что биметаллические заготовки, полученные даже при оптимальных температурных параметрах, не имеют достаточно качественной сварки по всей длине: с переднего торца наблюдается размыв первого металла вторым, а в конце - расслоение, протяженность которого определяется физико-химическими свойствами соединяемых металлов, температурными параметрами процесса и размерами заготовок.

Литье используют в производстве биметаллических изделий цилиндрической формы широкого класса: втулок, шестеренок, червячных колес и т.п. Основным методом служит центробежная заливка, имеющая несколько разновидностей: электродуговая, нагрев токами высокой частоты, печной нагрев, заливка плакируемой заготовки жидким металлом.

К основным технологическим параметрам процесса центробежной отливки биметаллических деталей относятся: температура нагрева, время выдержки, скорость вращения заготовки при отливке. Для обеспечения качественного соединения заготовки и наплавляемого слоя необходимо точно выдерживать тепловой режим процесса.