Биметаллические соединения
Чарухина К.Е., Голованенко С.А., Мастеров В.А., Казаков Н.Ф.
Металлургия, 1970 г.
СОЕДИНЕНИЕ МЕДЬ+СТАЛЬ
Сварка плавлением этих металлов часто сопровождается проникновением меди между зернами стали, возникновением термических напряжений и разрушением шва под действием эффекта П. А. Ребиндера. Поэтому получение 'Соединений, особенно с аустенитными сталями, весьма сложно и требует специальных технологических приемов (присадки никеля, алюминиевой бронзы, высоконикелевых сплавов, применения защитной атмосферы и т. д.)
Качественные соединения сталь+медь, особенно больших размеров, легче получить совместной деформацией при прокатке и диффузионной сваркой в вакууме.
Из диаграммы состояния Си—Feследует, что при диффузии железа в медь образуется ε-твердый раствор ограниченной растворимости.
Растворимость железа монотонно увеличивается от 0,3—0,35% при 700°С до 2,6—2,9°/р при 1000°С. При диффузии меди в α-Feтакже образуется твердый раствор ограниченной растворимости. В диапазоне 750—835°С растворимость меди увеличивается* до 3,5%. Пересыщение а- и ε-твердых растворов приводит к образованию при 835 С эвтектоида α+ε. В интервале температур 835—910°С растворимость меди в a-Feуменьшается, причем медь снижает температуру α-*-γ превращения в железе. При этих температурах могут сосуществовать как α-твердый раствор меди в железе, так и γ-твердый раствор меди в железе, причем предельная растворимость меди в γ-Feбольше, чем в a-Fe.
Качество соединений медь+Ст.З, получаемых прокаткой, исследовано С. А. Голованенко, В. А. Устименко и Л. В. Меандровым [183, с. 14]. Лучшие результаты получены после строжки поверхностей сварки и прокатки закрытых четырехслойных пакетов с медью .внутри с нагревом до 950°С. Сопротивление срезу τ -после суммарного обжатия 55—60% достигает 111—187 Мн/м2 (11,1 — 18,7 кГ/мм2) без подслоя и 106—159 Мн/м2 (10,6—15,9 кГ/мм2) с медным покрытием на стали. На биметаллических листах толщиной 5 ммсо слоем меди 30—37% при растяжении параллельно поверхности сварки предел прочности исходного биметалла равен 303—386 Мн/м2 (30,3—38,6 кГ/мм2), а удлинение 30%· Отжиг при 650°С с охлаждением на воздухе повышает на 10—15%.
Структура переходной зоны после прокатки изучена в работе Г. А. Кокорина и В. А. Устименко [183, с. ПО]. После горячей прокатки медь полностью рекристаллизу ется, а стальной .слой состоит из вытянутых чередующихся зерен феррита и перлита. Между сталью и медью имеется очень тонкий слой, отличающийся по травимости от металлов основы; точно определить толщину переходного слоя и величину его микротвердости не удалось.
Электронномикроскопическое исследование провели методом двойного отпечатка (рис. 61).
Вблизи границы контакта наблюдалось 'постепенное уменьшение фрагментов зерен и понижение травимости. Предположительно диффузионный слой со стороны меди представляет ε-твердый раствор, а со стороны стали α-твердый раствор. Суммарная толщина диффузионного слоя составляет примерно 3 мкм.
Количественный крорентгеноспектрал.ьный анализ показал, что в стали на глубине 2 мкм содержится дс 1,84% Си, на глубиже 2,5 мкм 1%, далее следы.
Свойства соединений медь+сталь, медь+никель, медь+ниобий, получаемых прокаткой в вакууме, рассмотрены в работе [184].
Пакеты составляли из двух пластин толщиной по 10 мми нагревали со скоростью 1,3—1,5 мин/мм; после прокатки измеряли сопротивление отрыву на образцах-стаканчиках.
Влияние деформации, температуры нагрева и глубины вакуума на сопротивление отрыву иллюстрирует рис. 62.
Сопротивление отрыву, близкое к пределу прочности одного из свариваемых металлов, достигается при обжатии ~ 30%.
Интересные результаты при исследовании биметалла сталь+медь получены Н. А. Гарбузом, который изучал диффузионные процессы при изготовлении, прокатке и термической обработке литого биметалла [185, 186]. По Н. А. Гарбузу, медь диффундирует сначала по границам зерен аустенита, отрывая их от основной массы стали. Проникновение меди в глубь зерен тормозится углеродом, который не растворяется в меди и при оттеснении в глубь зерна образует полоску перлита. Противоположное влияние оказывает марганец. Диффузию меди по границам ускоряют сера и фосфор. Начиная с 850°С обнаруживается диффузионная зона, ширина ее увеличивается пропорционально длительности нагрева в степени 0,5. После прокатки ширина диффузионной зоны составляет десятки микрон, микротвердость повышается в 2 раза по сравнению с твердостью меди и в 1,5 раза по сравнению с ферритом.
По данным Н. А. Гарбуза, прочность переходного сплава превышает прочность меди.
Во французском патенте описан способ получения биметаллических листов Cu+X18H9T, Сu+Х17 прокаткой вакуумированных пакетов. Пакет состоит из толсто-
го листа меди, двух листов стали и двух тонких листов кровельного железа. Последние сваривают по периметру, а к торцу пакета приваривают трубку для подсоединения к вакуумному насосу. Например, для получения листа меди толщиной 1,15 мм, плакированного сталью Х17 толщиной 0,43 мм, используют стальной лист 3*670*1340 мм и медный 9*670*1200 мм. После нагрева до 950°С за 6 проходов прокатывают пакет до толщины 2 мм, после чего лист опять отжигают.
С. И. Чижовым [187—189] разработан способ получения биметаллических листов наплавкой меди и медных сплавов на сталь 10 в низком вакууме и последую щей горячей прокаткой на воздухе.
Для выравнивания механических свойств слоев пакета из меди, бронзы и латуни при выплавке добавляется 1—3% Fe; кроме того, в бронзу Бр.ОЖ4-2 3,5—4% Sn, а в латунь ЛЖ90-2 9—11 % Zn.