Коррозионностойкие сплавы тугоплавких металлов
Гуляев А.П.
Наука, 1982 г.
6.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ СТАЛЬ-МОЛИБДЕН
Биметаллический лист сталь-молибден изготовляли методом вакуумной пакетной прокатки листов молибдена (точнее, сплава ЦМ2А) и Ст. 3. Технология производства листов, в том числе полупромышленным способом, из молибдена ЦМ2А описана в работе [13]. Ограничимся описанием технологии вакуумной пакетной прокатки двух листов - молибдена и стали. Для получения удовлетворительного сцепления разнородных металлов, которые интенсивно окисляются на воздухе, необходимо проводить горячую прокатку в вакууме [83, 84 и др.]. Исследования многослойных металлов [85, 86] показали, что прокатка в вакууме или инертных газах повышает их качество, в том числе увеличивает и прочность сцепления.
Тем не менее способ получения биметаллов прокаткой в вакууме имеет ограниченное применение, что в основном связано с относительно малыми размерами вакуумной камеры. Поэтому ниже описывается способ получения биметалла сталь-молибден прокаткой в герметизированных пакетах [87].
Как было указано выше, в качестве молибденового покрытия использовали сплав ЦМ2А (0,1% Ti; 0,1% Zr; 0,01% С), а в качестве основы Ст. 3 (некоторые опыты были проведены с техническим железом и сталями 10 и 20). Применяли также различные прослойки между молибденом и сталью - V, Nb, Та, Ni, Сr, бронзу и двойные прослойки - Nb + Сu и Сr + + Ni. Прослойки Сr и Сr + Ni наносили гальваническим способом, описанным в работе [88]. В некоторых случаях использовали прослойки в виде листов толщиной ~ 0,1 мм. Пакеты составляли из двух листов - молибдена толщиной 3,5 мм и стали толщиной 16,5 мм.
Контактирующие поверхности шлифовали и обезжиривали, а затем соединяли в трех местах точечной сваркой. Прокатку осуществляли на вакуумном прокатном стане 170 конструкции ФТИ АН УССР [89]. Пакеты прокатывали за один проход при 1200-900° С с обжатием от 5 до 40%. Остаточное давление в камере не превышало 1 · 10-4 мм рт. ст. Прочность сцепления на срез (скол) определяли по методике, рекомендованной ГОСТом 10885-64. Кроме того, плакированные листы испытывали на изгиб плакирующим слоем вниз при комнатной температуре и при 250-300° С.
При исследовании структуры молибдена применяли электролитическое травление в 50%-ном растворе серной кислоты в этиловом спирте. Температура электролита 20°С, плотность тока 0,5—0,6 А/см2, время травления 3—4 с. При этом выявляется только структура молибдена, а сталь не травится. Структуру стали выявляли химическим травлением в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты.
Для уточнения режимов прокатки необходимо было прежде всего установить оптимальную температуру процесса. Основными критериями оценки качества биметалла при этом являются сопротивление срезу и свариваемость (за 100% принимали всю площадь поверхности листов, а свариваемость определяли как разность этой площади и площади участков, на которых сталь и молибден не приваривались друг к другу). Было установлено, что оптимальная температура прокатки 950° С (рис. 88).
Высокотемпературный нагрев при получении биметалла обусловливает взаимную диффузию составляющих сплавов, в данном случае молибдена в сталь и углерода из стали в молибден, что подтверждается результатами металлографического анализа. Из рис. 89 видно, что поверхностные слои стали обезуглерожены, а феррит имеет столбчатое строение. Первое объясняется диффузией углерода в молибден, второе — диффузией молибдена в сталь. Когда в стали достигается такое содержание молибдена, при котором α - γ, превращения не происходит, феррит приобретает столбчатое строение. Темная прослойка между молибденом и железом - карбид (Мо, Fe)6C. Толщина этой прослойки, как и зоны обезуглероживания, тем больше, чем выше температура прокатки, вследствие ускорения диффузионных процессов при повышении температуры. Увеличение толщины хрупкой карбидной прослойки приводит к уменьшению прочности сцепления, что видно из рис. 91 (повышение температуры прокатки снижает прочность сцепления). В дальнейшем перераспределение элементов между слоями будет рассмотрено дополнительно - при описании результатов исследования необходимости (целесообразности) проведения после прокатки термической обработки.
Хорошая свариваемость стали и молибдена наблюдается в тех случаях, когда общая толщина биметаллического листа составляет 20 мм при толщине молибдена 1-2 мм (прокатка при 950 и 1200°С) и 3,5-6 мм (прокатка при 950°С); при толщине молибденового покрытия 10 мм листы не свариваются. Другими словами, при небольшой толщине молибден хорошо сваривается со сталью и в случае прокатки при 1200° С. Это можно объяснить тем, что условия прокатки недостаточно изотермичны. При контакте с холодными валками тонкий теплопроводный молибденовый слой "охлаждается" и фактически температура на границе молибден-сталь ниже, чем температура з камере. Использование в качестве подложки различных сталей (0,03—0,16% С) не оказывает заметного влияния на прочность на срез биметаллического композита, так как при испытаниях на срез, как правило, наблюдается разрушение по молибдену.
Для улучшения свариваемости прокатываемой пары при производстве биметаллов применяют различные металлические прослойки [8]. Исследование целесообразности использования таких прослоек показало неудовлетворительные результаты: при прокатке листов сталь-молибден с прослойками, перечисленными выше, сплошного биметаллического листа получить не удалось - молибден со сталью не сваривался. В связи с этим в дальнейшем все образцы и заготовки для изделий из биметалла сталь - молибден изготовляли вакуумной прокаткой без прослоек.
При испытаниях на срез, как правило, наблюдалось разрушение по молибдену, за исключением тех случаев, когда прокатку проводили при высокой температуре, т.е. когда промежуточная карбидная хрупкая зона достигает большой толщины (см. рис. 9\,а и б) и разрушение происходит по сварному шву. Это еще одна причина нежелательности повышения температуры прокатки сверх оптимальной (950°С).
Интересные данные о прочности биметалла сталь-молибден получены при испытаниях на изгиб образцов толщиной 20 мм (молибденовый слой толщиной 3,5-6 мм, расстояние между опорами 50 мм, радиус оправки 10 мм, загиб на угол 180°). Изгиб образца при комнатной температуре молибденовым слоем "внутрь" не приводит к образованию видимых трещин в слое (так как на внутренней поверхности возникают напряжения сжатия), но при испытании молибденовым слоем "наружу" в нем возникают напряжения растяжения и образуются трещины прежде, чем достигается необходимый угол загиба (рис. 90,я). Изгиб биметаллического образца при 250-300°С, т.е. при температуре выше порога хрупкости молибдена, не сопровождается образованием трещин в "наружном" молибденовом слое даже при толщине этого слоя 6 мм (рис. 92,6).
Другой метод прокатки, который был исследован, — это прокатка так называемых герметизированных пакетов (рис. 91). Такой пакет состоит из основного слоя / (Ст. 3), плакирующего слоя 2 (ЦМ2А), герметизирующей крышки 3 (Ст. 3), разделительного слоя 4, препятствующего приварке крышки к молибдену, боковой прокладки 5 и сварных швов 6. Конструкция такого пакета практически исключает окисление молибдена, что позволяет осуществлять прокатку на воздухе. Прокатку проводили на двухвалковом стане со скоростью 0,85 м/с. Температуру прокатки изменяли (для установления оптимальной) от 1300 до 900 С, обжатие - от 10 до 60% за проход. После прокатки края пакета обрезали и из полученных биметаллических полос изготовляли образцы для исследования.