Способ изготовления слоистой заготовки в виде полосы или листа из коррозионно-стойкой стали
Владельцы патента RU 2422283:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению слоистых заготовок из коррозионно-стойких сталей. Заявлен способ изготовления слоистой заготовки в виде полосы или листа из коррозионно-стойкой стали, состоящей из основного слоя из углеродистой стали или низколегированной стали, по меньшей мере, одного плакирующего слоя из коррозионно-стойкой стали и промежуточного слоя. Способ включает подготовку контактирующих поверхностей основного и плакирующего слоев, нанесение, по меньшей мере, на одну из контактирующих поверхностей промежуточного слоя из порошкового материала, сборку пакета под горячую деформацию, нагрев пакета до температуры горячей деформации в интервале 950-1250°С, горячую деформацию пакета с получением слоистой заготовки, раскатку слоистой заготовки в полосу или лист. В порошковый материал для нанесения промежуточного слоя дополнительно включают порошок карбида металла с размером частиц от 2 до 40 мкм и получают порошковый материал следующего состава, %: порошок сплава никеля с кремнием - 55÷65 при содержании в нем кремния от 30 до 50 мас.%, порошок никеля - 20÷25, порошок карбида металла - 10÷25. Горячую деформацию пакета проводят при степени пластической деформации 0,12-0,6. Повышается прочность соединительного слоя на срез. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к изготовлению горячей прокаткой слоистых заготовок в виде биметаллических нержавеющих полос или листов.
Известен способ диффузионной сварки тонких листовых материалов под давлением (а.с. SU №893469 от 04.01.1980 г.), при котором сжатие соединяемых деталей осуществляют через порошок, размещаемый между материалом и пуансоном, создающим давление на материал. Под действием создаваемого порошком локального напряжения в зоне контакта разрушается окисная пленка, обнажая чистые поверхности, что позволяет повысить качество сварки. Частицы порошка принимают размером до 30 мкм.
Недостаток способа в его пригодности только для диффузионной сварки фольги из пластичных легко окисляемых металлов.
Известен ГОСТ 10885-85 «Сталь листовая горячекатаная двухслойная коррозионно-стойкая. Технические условия», в соответствии с которым двухслойные листы изготовляют толщиной от 4 до 120 мм. Способ изготовления не регламентирован. Приведены марки углеродистых и низколегированных сталей основного слоя и сталей плакирующих слоев, в том числе коррозионно-стойких хромоникелевых сталей.
Учитывая несовершенство известных способов изготовления слоистых коррозионно-стойких сталей, ГОСТ 10885-85 предусматривает наличие несплошности сцепления слоев и допускает сопротивление срезу не менее 150 МПа.
Известен способ изготовления биметаллического материала (патент RU №2149087 от 24.03.1999), включающий установку между металлическими пластинами промежуточной прокладки, сборку пакета и диффузионное соединение пластин друг с другом через промежуточную прокладку посредством их нагрева и приложения к ним давления в течение определенного времени, при этом соединение пластин осуществляют при давлении от 0,2 МПа до предела текучести материала при температуре соединения. Промежуточная прокладка содержит оксиды свинца, бора, цинка, меди, кремния, висмута, сурьмы и магния, при этом в нее дополнительно введены оксиды алюминия. Техническим результатом изобретения является повышение прочности композиционного материала при снижении его теплопроводности.
Недостаток данного способа в том, что промежуточная прокладка содержит оксиды металлов, расплавляемые при температуре горячего деформирования стали и снижающие прочность соединительного слоя.
Известен способ соединения металлических поверхностей, при котором между поверхностями помещают порошок с размером частиц в несколько мкм (патент JP №01-087087 от 30.09.1987). Частицы порошка внедряются в металлы соединяемых поверхностей и обеспечивают увеличение силы сопротивления сдвигу.
Недостаток данного способа в том, что в его описании не раскрыты виды порошков и их характеристики, а также режимы процесса соединения, что не позволяет использовать данный способ для соединения стальных деталей.
Известен способ соединения металлических поверхностей с использованием металлизованных частиц, размещаемых между соединяемыми поверхностями. Частицы имеют твердость больше, чем твердость соединяемых металлов. При соединении в области контакта создаются напряжения, действующие со стороны частиц на металл, при которых металл пластически деформируется и образуются связи между металлами, в том числе диффузионные. Частицы имеют твердость от 5,5 до 9 ед. по Моосу. В качестве частиц используются такие минералы, как алмазы, корунд, сапфир, магнетит, кварц, кварцит, силицид и искусственные синтетические материалы, включающие оксиды алюминия, нитриды бора, нитриды кремния, карбиды вольфрама, карбиды кремния и др. Плотность распределения частиц порошка на соединяемых поверхностях - от 50 до 10000 частиц на мм2. Предпочтительный диапазон - от 1000 до 2000 частиц на мм2. В описании способа предполагается, что связи в соединяемом металле будут прочнее, если увеличивать температуру нагрева и давление.
Первый недостаток данного способа в том, что он предусматривает диффузионное соединение металлов через металл, который обволакивает твердые частицы, т.е. твердые частицы должны быть предварительно металлизованы, что усложняет весь технологический процесс.
Второй недостаток способа - в его длительности вследствие диффузионного процесса соединения металлов или в низкой прочности соединения при сокращении времени проведения диффузионного процесса.
Третий недостаток - отсутствие термического режима соединения металлов, который бы позволял существенно повысить прочность соединения и производительность процесса.
Известен способ соединения металлических поверхностей (патент JP №05-220587 от 10.02.1992, прототип), при котором между соединяемыми поверхностями основного слоя из углеродистой или низколегированной стали и плакирующим слоем из коррозионно-стойкой стали введен промежуточный слой из порошкового материала, содержащего 80 мас.% или более порошка сплава «никель-бор» (Ni-B) с 4-8 мас.% бора или порошка сплава «никель-кремний» (Ni-Si), содержащего 30-50 мас.% кремния (Si), а также включающий никель. Порошковый материал наносят газотермическим напылением с помощью электродуги или плазмы на поверхность плакирующего слоя, контактирующего с поверхностью основного слоя.
Способ обеспечивает недостаточное сопротивление срезу соединительного слоя такого состава.
Техническая задача изобретения - создание способа изготовления слоистой заготовки в виде полос или листов из коррозионно-стойкой стали, обеспечивающего повышение прочности соединительного слоя на срез.
Техническая задача решена в способе изготовления слоистой заготовки в виде полосы или листа из коррозионно-стойкой стали, состоящей из основного слоя из углеродистой или низколегированной стали и, по меньшей мере, одного плакирующего слоя из коррозионно-стойкой стали и промежуточного слоя, включающем: подготовку контактирующих поверхностей основного и плакирующего слоев, нанесение промежуточного слоя, по меньшей мере, на одну из контактирующих поверхностей промежуточного слоя порошкового материала, содержащего порошок сплава никеля с кремнием и порошок металла; сборку пакета под горячую деформацию, нагрев пакета до температуры горячей деформации выше температуры плавления сплава никеля с кремнием в интервале 950-1250°С; горячую деформацию пакета с получением слоистой заготовки, раскатку слоистой заготовки в полосу или лист, при этом в порошковый материал для нанесения промежуточного слоя дополнительно включают порошок карбида металла с размером частиц от 2 до 40 мкм, а в качестве порошка металла используют порошок никеля с получением порошкового материала следующего состава, мас.%: порошок сплава никеля с кремнием - 55÷65 при содержании в нем кремния от 30 до 50, порошок никеля - 20÷25, порошок карбида металла - 10÷25, а горячую деформацию пакета проводят при степени пластической деформации 0,12-0,6.
Для более интенсивного разрушения оксидной пленки на соединяемых поверхностях основного и плакирующего слоев порошковый материал для нанесения промежуточного слоя содержит порошок карбида металла с размером частиц от 15 мкм до 30 мкм.
Порошковый материал наносят на одну из контактирующих поверхностей термическим газоплазменным напылением.
Для экономии энергии в качестве порошка карбида металла используют карбид вольфрама, или ванадия, или титана, нагрев пакета до температуры горячей деформации проводят в интервале 950-1100°С, горячую деформацию пакета ведут со степенью деформации 0,3-0,5.
Степень пластической деформации при прокатке пакета в слоистую заготовку оценивают по формуле:
где δс.з, δп - соответственно толщина пакета и толщина слоистой заготовки после прокатки пакета.
Марки и состав сталей для основного и плакирующего слоёв подбирают в соответствии с ГОСТ 1085-85 или в соответствии с требованиями заказчика. Соединяемые поверхности перед сборкой слоев в пакет зачищают и обезжиривают, порошковый материал напыляют выбранным способом на соединяемые поверхности одного слоя или обоих слоев. После наложения одного слоя на другой их скрепляют, предпочтительно приваркой плакирующего слоя к основному слою. Пакеты подвергают горячей прокатке в прокатном стане.
В процессе нагрева пакета под горячую деформацию при достижении температуры плавления сплава никель-кремний (Ni-Si) в промежуточном слое происходит заполнение пор, образованных в процессе напыления. При горячем деформировании (прессовании или горячей прокатке) жидкая фракция сплава Ni-Si заполняет все неплотности в промежуточном слое, при этом под давлением процесс диффузии Ni, Si в основной и плакирующий слои происходит более интенсивно с увеличением температуры и степени пластической деформации. При деформировании происходит внедрение твердых частиц карбидов в стали основного и плакирующего слоев, что способствует увеличению сопротивления соединительного слоя срезу, так как частицы твердого сплава, внедрившиеся в контактирующие слои сталей, имеют большую прочность, чем сплав никеля с кремнием в промежуточном слое. Кроме того, при внедрении в слои стали твердые частицы карбидов разрушают оксидную пленку, способствуя ускорению процесса диффузии и более прочному соединению слоев сталей.
Данная совокупность признаков является новой для способа изготовления слоистой заготовки в виде полосы или листа из коррозионно-стойкой стали, так как не обнаружена в источниках информации, полученных при проведении патентно-информационного поиска, и не следует явно из совокупности признаков известных способов.
Примеры
Пример 1
Для испытаний изготовили 9 заготовок. На каждую заготовку из стали 09Г2С толщиной 12 мм и размером 40×120 мм и из стали 08Х18Н10Т толщиной 3 мм и размером 40×120 мм, поверхности которых механически зачищены и обезжирены, нанесли путем газотермического напыления слой порошка следующего состава в мас.%: сплава никеля с кремнием - 55, порошка никеля - 25, порошка карбида вольфрама с размером частиц 15÷30 мкм (температура плавления - 2795°С) - 20.
Заготовку из стали 09Г2С собрали с листовой заготовкой из стали 08Х18Н10Т в пакет толщиной 15 мм под горячую прокатку. Стык листовых заготовок в пакете заварили сплошным швом по периметру.
Пакет нагревали до температуры (табл.), выбираемой из интервала 950-1250°С, затем раскатывали в полосу при степени пластической деформации от 0,10 до 0,65.
Заготовку охлаждали до температуры 400°С в электропечи, затем на воздухе.
Испытания соединительного слоя на срез провели в соответствии с рекомендациями ГОСТ 10885-85.
Результаты испытаний СКС на срез соединительного слоя для хромистых коррозионно-стойких сталей приведены в таблице.
| № опыта | Степень единичного обжатия заготовки | Температура нагрева заготовки под прокатку, °С | Предел прочности на срез соединительного слоя, МПа |
| 1 | 0,10 | 950 | 85 |
| 2 | 0,10 | 1250 | 115 |
| 3 | 0,12 | 950 | 155 |
| 4 | 0,2 | 1050 | 210 |
| 5 | 0,3 | 1050 | 240 |
| 6 | 0,4 | 1050 | 260 |
| 7 | 0,5 | 1050 | 280 |
| 8 | 0,6 | 1100 | 280 |
| 9 | 0,65 | 1250 | 260 |
Испытания, результаты которых приведены в таблице 1, показывают, что при степени пластической деформации стального пакета менее 0,12 при температуре 1250°С сопротивление срезу существенно ниже, чем при степенях деформации 0,12 и выше.
При степени пластической деформации 0,12 и выше сопротивление срезу значительно превышает величины, рекомендуемые ГОСТ 10885-85. При степени пластической деформации пакета выше 0,6 сопротивление срезу незначительно снижается. Этим подтверждается, что степень пластической деформации пакета должна быть в пределах 0,12-0,6, а для повышения эффективности процесса прокатки - в пределах 0,3-0,5.
1. Способ изготовления слоистой заготовки в виде полосы или листа из коррозионно-стойкой стали, состоящей из основного слоя из углеродистой стали или низколегированной стали, по меньшей мере, одного плакирующего слоя из коррозионно-стойкой стали и промежуточного слоя, включающий подготовку контактирующих поверхностей основного и плакирующего слоев, нанесение, по меньшей мере, на одну из контактирующих поверхностей промежуточного слоя из порошкового материала, содержащего порошок сплава никеля с кремнием и порошок металла, сборку пакета под горячую деформацию, нагрев пакета до температуры горячей деформации выше температуры плавления сплава никеля с кремнием в интервале 950-1250°С, горячую деформацию пакета с получением слоистой заготовки, раскатку слоистой заготовки в полосу или лист, отличающийся тем, что в порошковый материал для нанесения промежуточного слоя дополнительно включают порошок карбида металла с размером частиц от 2 до 40 мкм, а в качестве порошка металла используют порошок никеля с получением порошкового материала следующего состава, %: порошок сплава никеля с кремнием 55÷65 при содержании в нем кремния от 30 до 50 мас.%, порошок никеля 20÷25, порошок карбида металла 10÷25, а горячую деформацию пакета проводят при степени пластической деформации 0,12-0,6.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошковый материал для нанесения промежуточного слоя содержит порошок карбида металла с размером частиц от 15 до 30 мкм.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошковый материал наносят на одну из контактирующих поверхностей газоплазменным напылением.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошка карбида металла используют карбид вольфрама, или ванадия, или титана, нагрев пакета до температуры горячей деформации проводят в интервале 950-1100°С, горячую деформацию пакета ведут со степенью деформации 0,3-0,5.
