RU2267550C2 - Способ изготовления слоистого материала - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к металлообработке, а именно к получению слоистого материала из сплава металлов, например Zr-Nb, в частности для изготовления оболочки кабеля для термопары. Способ изготовления слоистого материала включает пластическую деформацию заготовки из циркониевого сплава, которую проводят по крайней мере в двух направлениях, причем деформация в одном направлении превышает деформацию в другом направлении не менее чем в три раза, а алгебраическая сумма деформаций во всех направлениях - не менее чем 250%. После деформации заготовку из циркониевого сплава могут дополнительно подвергать отжигу в вакуумной печи при температуре до 600°С. Техническим результатом изобретения является получение трехслойного материала с повышенной деформационной способностью и стойкостью к коррозионному и усталостному разрушению. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к области обработки металлов, а именно к способам изготовления многослойных материалов.

Для создания новых машин и аппаратов, интенсификации технологических процессов необходимы материалы с повышенными антикоррозионными и прочностными свойствами. К числу таких материалов относятся плакированные материалы, состоящие из двух и более сплавов металлов или сталей (биметаллы, триметаллы, многослойные металлы).

Биметаллы отличаются от многослойных материалов тем, что у биметаллических материалов между слоями существуют металлические межатомные связи, а у многослойных материалов таких связей нет.

Известен способ изготовления многослойного материала, согласно которому заготовку из стали или сплава подвергают поверхностному пластическому деформированию специальным инструментом в виде стальных шаров или роликов, с последующим шлифованием поверхности изделия алмазными наконечниками (см., В.А.Горохов "Обработка деталей пластическим деформированием", "Техника", г.Киев, 1978, с.3).

При использовании указанного способа происходит пластическая деформация поверхности металлической заготовки, что приводит к растягиванию нижележащих слоев металла. Из-за малой толщины поверхностного слоя (19-23 мкм) и незначительной степени деформации удлинение внутренних слоев очень невелико. Тем не менее, за счет наклепа поверхностного слоя повышаются механические свойства и увеличивается твердость металла в 1,2-1,3 раза.

Однако вышеприведенный способ поверхностной пластической деформации создает значительные внутренние напряжения в поверхностных слоях металлической заготовки, что делает ее не пригодной для изготовления конструкций, работающих в агрессивных средах. К тому же, после термической обработки или сварки эффект от поверхностной пластической деформации полностью пропадает.

Наиболее близким к предложенному является способ изготовления слоистого материла, заключающегося в том, что заготовку из стали или сплава металла подвергают пластической деформации (см., например, М.И.Чепурко и др. "Биметаллические трубы", "Машиностроение", М., 1974 г., с.7-20, 98-112).

Данный способ используют для изготовления биметаллической трубы из двух труб, выполненных из разных сортов стали, одну из которых вставляют в другую и подвергают совместной пластической деформации путем горячей прокатки. Этот способ обеспечивает улучшение качества соединения заготовок, выполненных из разных сталей или сплавов, и тем самым позволяет расширить область применения, сортамент и назначение изготовленных из них изделий.

Однако вышеописанный способ изготовления слоистых материалов обладает рядом существенных недостатков. Во-первых, очень трудоемок процесс подготовки сопрягаемых поверхностей. Во-вторых, несмотря на самую тщательную подготовку сопрягаемых поверхностей надежность соединения заготовок в одно слоистое изделие невысока из-за расслоений, несплавлений и т.д. В-третьих, при сварке образуются так называемые пограничные зоны, что ведет к перерасходу металлов. В-четвертых, к перерасходу металлов приводит удаление "припуска" металла из-за окисления его поверхности под воздействием окружающей среды. В-пятых, при соединении разных сплавов металлов или сталей образуются электрохимические пары, что может привести к катастрофически быстрому разрушению изделий.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в повышении деформационной способности и стойкости применяемых в промышленности материалов к коррозионному н усталостному разрушению.

Указанный технический результат достигается применением способа изготовления слоистого материала, заключающегося в том, что заготовку из стали или сплава металлов подвергают пластической деформации, по крайней мере, в двух направлениях, причем деформация в одном направлении превышает деформацию в другом направлении не менее чем в три раза, а алгебраическая сумма деформаций во всех направлениях равна не менее 250%. Дополнительно в случае применения заготовок из циркониевых сплавов после деформации проводят отжиг в вакуумной печи, температуру которого выбирают не менее чем на 50°С, а время проведения отжига - не менее чем в 1,5 раза больше, чем предписано техническими условиями при отжиге циркония.

Пример выполнения способа.

С помощью предлагаемого способа изготавливают трехслойный материал (триметалл) с металлическими межатомными связями между слоями (по типу биметаллов).

Для этого берут трубную заготовку из сплава металлов Э-110 [цирконий(Zr) - 98%, ниобий (Nb) - 1%, остальное - меньше 1%. ТУ 95 2594/96 от 23.01.96. Трубы из циркониевых сплавов для тепловыделяющих элементов (твэл)] и подвергают ее периодической валковой прокатке, при которой степень обжатия составляет 85%, а вытяжка - 255%.

Деформация сплава металлов, как минимум в двух направлениях (продольном и поперечном, осевом и радиальном и т.п.), превышение деформации в одном направлении, по крайней мере, в три раза, чем в другом направлении, при том условии, что алгебраическая сумма деформаций во всех направлениях равна не менее 250%, приводит к тому, что в более глубоко расположенных слоях (объемах) возникают растягивающие усилия, обеспечивающие измельчение кристаллической структуры металла.

Кроме того, т.к. в данном примере заготовка выполнена из сплава на основе циркония, ее после деформации дополнительно отжигают в вакуумной печи до температуры 600°С и выдерживают в течение 6 часов, что превышает предписываемые техническими условиями [см. ТУ 95 2594/96 от 23.01.96. Трубы из циркониевых сплавов для тепловыделяющих элементов (твэл)] температуру отжига циркония, по крайней мере, на 50°С, а время проведения отжига циркония не менее чем в 1,5 раза.

Создание механической неоднородности по толщине сталей или сплавов металлов (а для циркониевых сплавов еще и при последующем отжиге в вакуумной печи при температуре, по крайней мере, на 50°С выше и времени проведения отжига не менее чем в 1,5 раза больше, чем по ТУ) приводит к появлению таких диффузионных потоков легирующих элементов, которые вызывают изменение химического состава сталей или металлических сплавов и их "расслоение". Так в приведенном примере в заготовке образовался внутренний продольный слой, составляющий примерно, 40%-45% от толщины заготовки, и произошло полное изменение структуры и свойств сплава Э-110. В частности, механические испытания образцов (фиг.1, 3), вырезанных из внутреннего продольного слоя, показали, что его прочность, по сравнению с основным металлом трубы (Zr), снизилась с 55-57 кг/мм² до 45-47 кг/мм³. В то же время пластичность (относительное удлинение и относительное сужение) увеличилась в 1,5-2 раза, что соответствует характеристикам чистого циркония. В то же время, как показал спектральный анализ, произошло снижение содержания ниобия в этом слое с 1% до 0,1%. Этот внутренний слой (фиг.2, 4) имеет четкие границы и надежную металлическую связь с прилегающими слоями, которые так же как и свойства сплава Э - 110 в целом сохраняются и при последующем переделе заготовки на меньшие размеры (см. фиг.5) - снимок с увеличением в 200 раз, на котором наглядно представлен трехслойный материал с четкими границами между слоями, полученный после обработки сплава Э - 110 заявленным способом).

Многослойный материал, полученный по заявляемому способу, был использован для изготовления оболочки кабеля диаметром 0,5 мм с термопарными жилами и магнезиальной изоляцией и продемонстрировал свою высокую деформационную способность. Многослойность оболочки кабеля также обеспечила повышение усталостной прочности кабеля при циклическом нагружений в несколько раз благодаря более равномерному перераспределению напряжений. Кроме того, произошло резкое снижение развития трещин коррозионного происхождения в оболочке кабеля, т.к. их рост тормозится на границе слоев. Немаловажным является и то обстоятельство, что граница между слоями служит барьером для диффузии примесей и газов, разрушающих термолары.

Таким образом, при использовании предлагаемого изобретения повышаются деформационная способность и стойкость материала против коррозионного и усталостного разрушения, упрощается и удешевляется технологический процесс изготовления оборудования из такого материала.

Claims (2)

1. Способ изготовления слоистого материала, включающий пластическую деформацию заготовки из сплава металлов, отличающийся тем, что деформации подвергают заготовку из циркониевого сплава и проводят ее по крайней мере в двух направлениях, причем деформация в одном направлении превышает деформацию в другом направлении не менее чем в три раза, а алгебраическая сумма деформаций во всех направлениях не менее чем 250%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку из циркониевого сплава после деформации подвергают отжигу в вакуумной печи при температуре до 600°С.

Images