Литые композиционные материалы
С.С. Затуловский, В.Я. Кезик, Р.К. Иванова
К.: Тэхника, 1990 г.
СЛОИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Это важнейший класс композитов, обладающих широким спектром и уникальным сочетанием таких ценных свойств, как высокая прочность, коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, жаропрочность, износостойкость и др. Сегодня эти материалы находят все большее применение в судостроении, автотракторостроении, приборостроении, металлургическом, горнодобывающем, нефтяном, сельскохозяйственном и др. отраслях машиностроения. Из поли- и биметаллов изготовляют листы, ленты, прутки, проволоки, трубы, фасонные профили, детали и конструкции различной конфигурации. Применение слоистых металлических композиций позволяет не только повысить надежность и долговечность большой номенклатуры деталей и оборудования, но и существенно сократить расход высоколегированных сталей, дефицитных и дорогостоящих цветных металлов (никель, хром, медь, молибден и др.), снизить энергоемкость и металлоемкость, расходы на техническое обслуживание, производство запчастей и ремонт оборудования.
По функциональным признакам все производимые в настоящее время слоистые композиты подразделяются [168; 182] на следующие виды: коррозионностойкие, антифрикционные, электротехнические (проводниковые и контактные), инструментальные, износостойкие, термобиметаллы, биметаллы для глубокой вытяжки и бытовых изделий.
Применение коррозионностойких слоистых композитов характеризуется высокой эффективностью и экономичностью: значительно сокращается расход легирующих элементов, снижается стоимость машин и механизмов, повышается ресурс их работы. Из этих материалов изготовляются детали и конструкции, работающие в условиях низких и высоких температур и давлений, при воздействии различных агрессивных сред. Изделия из биметаллов производятся различными методами литья, литейного плакирования, прокатки, сварки и наплавки. Вопросы производства, свойств и применения слоистых композитов, полученных методами твердофазного совмещения, подробно освещены в работе [168], Крупногабаритные биметаллические листы (размерами 2 — 100 X 600—1500 х 1800—8000 мм по ГОСТ 10885—75) получаются пакетной прокаткой или литейным плакированием с последующей прокаткой. Основной слой низкоуглеродистых, углеродистых и низколегированных сталей плакируется слоем хромоникелевых и хромистых сталей, сплавов на никелевой основе или цветных металлов. Сочетание низколегированных сталей основного слоя 10Г2ФР, 12Х1МФ, 20 К с наиболее распространенной сталью плакирующего слоя 12Х18Н10Т дает заметное повышение прочности композиции по сравнению с металлом плакирующего слоя. Отечественной промышленностью уже освоено производство биметаллов с пределом текучести 400—500 МПа. Обычно прочность соединения слоев заметно выше допустимой по стандарту (не менее 150 МПа).
Способность металла противостоять коррозии в той или иной среде определяет конкретную область его применения. При этом коррозионная стойкость определяется материалом плакирующего слоя. Двухслойные материалы с плакирующим слоем из сталей 02Х18Н10Т и 08X13 применяются в химическом и нефтяном машиностроении для изготовления деталей и конструкций аппаратов и оборудования, работающих в различных агрессивных средах: органических соединениях/растворах солей, в атмосфере сухого хлора, углекислого газа. Например, высокохромистая сталь 08X13, несмотря на достаточную коррозионную стойкость в некоторых средах, не может быть использована в качестве конструкционного материала из-за ее низкой ударной вязкости и хрупкости сварных швов, особенно в условиях низких температур. Применение хромистой стали в качестве плакирующего слоя дает возможность получить конструкционный материал с новыми служебными свойствами.
В качестве второго примера рассмотрим эффективное применение литого биметалла для повыщения долговечности экструдерного оборудования при производстве химических волокон, полиэтилена и других полимерных материалов. Биметаллические цилиндрические отливки наружным диаметром 350 мм, внутренним 130 мм и длиной 4650 мм для экструдеров типа РГШ-160 отливались центробежным способом заливкой «жидкое на жидкое» ст. 35 + сталь 60Х15К2 М2Л. Применение в качестве плакирующего (рабочего) слоя стали 60Х15К2М2Л в 5—6 раз повышает стойкость к коррозионно-абразивному износу.
Монометаллические трубы и втулки в химической, нефтяной, горнодобывающей и металлургической промышленности, в судостроении и других областях техники не удовлетворяют современным требованиям, так как имеют недостаточный ресурс работы в экстремальных условиях, поэтому все большее применение находят биметаллические заготовки. Традиционные способы получения биметалла (гильзование, наплавка, нанесение защитных покрытий и др.) весьма трудоемки и малопроизводительны. Новые перспективы расширения применения литых слоистых композиционных материалов открывает технология центробежного литья.
Используемый для втулок цилиндров судовых двигателей серый чугун обладает высокой износостойкостью, хорошими литейными свойствами, низкой себестоимостью, однако вследствие низкой кавитационно-коррозионной стойкости втулки из этого материала имеют недостаточный ресурс работы (15—20 тыс. ч). Применение втулок, изготовленных из слоистого композита сталь + чугун, позволяет повысить кавитационно-коррозионную стойкость со стороны поверхности охлаждения при сохранении высокой износостойкости со стороны рабочей внутренней поверхности и одновременно увеличить конструкционную прочность. Для получения заданных геометрических параметров биметаллических втулок, снижения напряжений в переходной зоне и в литой заготовке в ИПЛ АН УССР разработан способ последовательной заливки металлов в изложницу центробежной машины [164; 182]. Первоначально в изложницу заливают 90—95 % порции стали, а по достижении на свободной поверхности температуры солидуса заливают остаток порции жидкой стали. После чего с противоположного торца изложницы заливают чугун. Такая технология заливки обеспечивает получение максимальной прочности соединения слоев металла. Кроме того, для высококачественного сваривания слоев от начала до конца заливки дозируют на струю металла наружного слоя флюс системы CaF2—СаО—SiO2—А12О3—MgO (в количестве 0,4—0,6 % массы стали). Промышленные испытания биметаллических втулок на судовых дизелях 6Д50М, 8ЫУД48 показали повышение износостойкости в 2 раза, кавитационно-коррозионной стойкости в 6—10 раз, конструкционной прочности в 2—4 раза по сравнению с изделиями, серийно выпускаемыми отечественными и зарубежными дизелестроительными заводами и фирмами. Экономическая эффективность применения биметаллов обусловлена повышением эксплуатационной стойкости втулок, обеспечивающей не только значительное сокращение расхода деталей и запчастей, но, самое главное, уменьшение вынужденных простоев судов на внеплановых ремонтах-.
Технология центробежного литья биметаллических заготовок (сталь 50Л + 260Х28ВМ) втулок насосов буровых установок позволяет получить высококачественные детали, эксплуатационная стойкость которых в 2,5—3 раза выше серийных из стали 70, и не уступает эксплуатационной стойкости втулок с наплавкой рабочего слоя и гильзования, а по трудоемкости изготовления имеет существенные преимущества перед указанными методами [182]. Листовой коррозионно-стойкий биметалл находит применение в судостроении для изготовления корпусных конструкций судов различных деталей опреснителей, цистерн, емкостей и др.; в легкой и пищевой промышленности — для производства оборудования молочных заводов, поточных линий изготовления полуфабрикатов, перегонных кубовых установок, барабанных сушилок и др.
Биметаллы, основной слой которых выполнен из конструкционной углеродистой или низколегированной стали, а плакирующий — из высоколегированной аустенитной стали, применяются для изготовления сосудов атомных электростанций. Примером такого материала может служить биметалл сталь 22К + сталь 08Х18Н10Т, обладающий высокими механическими и антикоррозионными свойствами [39].
Методы литейного плакирования с последующей прокаткой армированных заготовок положены в основу технологии получения армированной квазимонолитной стали (АКМ) [121; 134; 141]. Сталь ARM была создана в результате поисков возможностей повышения качества толстого листа.