RU2632345C1

RU2632345C1 - Method for producing sheet composite materials with dispersed-reinforced particles

Info

Publication number: RU2632345C1
Application number: RU2016138739A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Галкин; Павел Сергеевич Евсеев
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2017-10-04

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: stack of layers in an odd number with a layer of more refractory metal between the less refractory metal layers is collected. A multi-cycle hot rolling of the collected stack and recrystallization annealing are carried out. In the first cycle, the collected stack is heated to hot-deforming temperature of the less refractory metal, which is the matrix component of the laminated material. A layer of more refractory metal is a reinforcing component. Recrystallization annealing provides the passage of the recrystallization processes and restoration of plasticity only in the matrix component. The stack is collected from the produced blanks and subsequent hot rolling cycle is carried out which ensures the formation of the compound of the components while maintaining continuity only in the matrix layers and the preparation of dispersed particles of the reinforcing component. The number of subsequent hot rolling cycles is selected upon condition for producing the predetermined dispersion of the reinforcing particles in the sheet composite material.

EFFECT: improved method.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для производства металлических листовых композиционных материалов с дисперсно-армированными частицами с помощью многоцикловой прокатки.The invention relates to the field of metal forming and can be used for the production of metal sheet composite materials with dispersion-reinforced particles using multi-cycle rolling.

Известен способ получения композиционных материалов, состоящих из армирующего и матричного компонентов, напылением, включающий получение матричного компонента одновременно с введением в матричный компонент и распределением в нем дисперсного армирующего компонента, производимое напылением на подготовленную поверхность чередующимися потоками частиц матричного и армирующего компонентов, обладающих энергией, достаточной при рекомбинации для формирования кристаллической решетки матричного и армирующего компонентов, изменение соотношения количества компонентов осуществляют изменением соотношения потоков распыленных матричного и армирующего компонентов, а полученный в виде пленки композиционный материал отделяют от поверхности (патент РФ №2213158, C23C 14/34, C22C 47/16, опубл. 27.09.2003). Недостатком данного способа является невозможность его применения при получении листовых композиционных материалов с дисперсно-армированными частицами промышленной толщины и габаритов, а также его значительная трудоемкость и необходимость использования специализированного дорогостоящего оборудования при проведении процесса напыления.A known method of producing composite materials consisting of reinforcing and matrix components by spraying, including obtaining a matrix component simultaneously with the introduction of a dispersed reinforcing component into the matrix component and distributing it, produced by spraying onto the prepared surface with alternating streams of particles of matrix and reinforcing components with sufficient energy upon recombination to form a crystal lattice of the matrix and reinforcing components, a change in the ratio Costs of the number of components are carried out by changing the ratio of the flows of the sprayed matrix and reinforcing components, and the composite material obtained in the form of a film is separated from the surface (RF patent No. 2213158, C23C 14/34, C22C 47/16, publ. 09/27/2003). The disadvantage of this method is the impossibility of its application in the production of sheet composite materials with dispersively reinforced particles of industrial thickness and dimensions, as well as its significant complexity and the need to use specialized expensive equipment during the spraying process.

Существует наиболее близкий по технической сущности, принятый за прототип, способ получения листов из дисперсно-упрочненных сплавов, включающий экструзию спеченной заготовки, поперечную горячую прокатку и рекристаллизационный отжиг, в котором с целью повышения жаропрочности и снижения анизотропии механических свойств поперечную горячую прокатку проводят со степенью деформации 0,95-1,1 от степени деформации при экструзии заготовки (АС №449958, C22c 1/04, B22f 3/24, опубл. 15.11.1974). Недостатком такого способа является существенная трудоемкость при получении листов больших габаритов, связанная со сложностями при спекании и последующей экструзии спеченной заготовки, а также применением для ее деформирования специализированного оборудования и оснастки. Кроме того, при получении листов больших габаритов предполагается использование спеченных заготовок значительных размеров, что, в свою очередь, приведет к возрастанию потребного усилия при экструзии, вследствие применения более мощных прессовых установок.There is the closest in technical essence, adopted as a prototype, a method of producing sheets of dispersion-hardened alloys, including extrusion of sintered billet, transverse hot rolling and recrystallization annealing, in which, in order to increase heat resistance and reduce anisotropy of mechanical properties, transverse hot rolling is carried out with a degree of deformation 0.95-1.1 of the degree of deformation during extrusion of the workpiece (AC No. 449958, C22c 1/04, B22f 3/24, publ. 15.11.1974). The disadvantage of this method is the significant complexity in obtaining sheets of large dimensions, associated with difficulties in sintering and subsequent extrusion of the sintered billet, as well as the use of specialized equipment and tools for its deformation. In addition, upon receipt of sheets of large dimensions, it is assumed to use sintered blanks of significant sizes, which, in turn, will increase the required force during extrusion, due to the use of more powerful press plants.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известного способа для возможности получения листовых композиционных материалов с дисперсно-армированными частицами.The basis of the invention is the task of improving the known method for the possibility of obtaining sheet composite materials with dispersion-reinforced particles.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения листовых композиционных материалов с дисперсно-армированными частицами, включающем горячую прокатку и рекристаллизационный отжиг, композиционный материал получают путем многоцикловой прокатки слоистых сборных заготовок, собранных из предварительно нарезанных и очищенных от загрязнений и оксидных пленок листов разнородных металлов или сплавов со значительно различающимися температурными интервалами горячего деформирования и толщинами, способными воспринимать значительные пластические деформации при прокатке, при этом сборная заготовка на первом цикле прокатки должна содержать нечетное количество слоев, но не менее трех, которые располагают таким образом, что слой из наиболее тугоплавкого металла или сплава, являющийся армирующим компонентом, находится между двумя слоями менее тугоплавкого металла или сплава, являющегося матричным компонентом, при этом армирующие и матричные слои чередуются друг с другом, затем сборную заготовку нагревают до температуры горячего деформирования матричного компонента и прокатывают по схеме обжатий, обеспечивающей формирование прочного соединения ее компонентов и сохранение их сплошности, после завершения цикла прокатки полученный слоистый материал подвергают отжигу при температуре, обеспечивающей прохождение процессов рекристаллизации и восстановление пластичности только в матричном компоненте, после чего, на последующих циклах прокатки, число которых зависит от требуемого размера армирующих частиц в материале, заготовку, собранную из слоев, нарезанных из прокатанной полосы, полученной на предыдущем цикле, катают с обжатиями, обеспечивающими формирование прочного соединения компонентов и сохранение сплошности только в матричных слоях.The problem is solved in that in the method for producing sheet composite materials with disperse-reinforced particles, including hot rolling and recrystallization annealing, the composite material is obtained by multi-cycle rolling of layered prefabricated pieces assembled from sheets of dissimilar metals that were previously cut and cleaned of dirt and oxide films or alloys with significantly different temperature ranges of hot deformation and thicknesses capable of perceiving significant e plastic deformation during rolling, while the prefabricated billet on the first rolling cycle should contain an odd number of layers, but not less than three, which are positioned so that the layer of the most refractory metal or alloy, which is the reinforcing component, is between two layers of less refractory metal or alloy, which is a matrix component, while the reinforcing and matrix layers alternate with each other, then the prefabricated workpiece is heated to the hot deformation temperature of the matrix component and rolled according to the compression scheme, which ensures the formation of a strong connection of its components and preservation of their continuity, after the completion of the rolling cycle, the obtained layered material is annealed at a temperature that ensures recrystallization processes and plasticity are restored only in the matrix component, after which, in subsequent rolling cycles, the number which depends on the required size of the reinforcing particles in the material, a workpiece assembled from layers cut from a rolled strip obtained on a pre duschem cycle rolled with a reduction ensuring firm connection components forming and maintaining continuity only in the matrix layers.

Поскольку композиционный материал получают путем многоцикловой прокатки слоистых сборных заготовок, собранных из предварительно нарезанных и очищенных от загрязнений и оксидных пленок листов разнородных металлов или сплавов со значительно различающимися температурными интервалами горячего деформирования и толщинами, способными воспринимать значительные пластические деформации при прокатке, сборная заготовка на первом цикле прокатки должна содержать нечетное количество слоев, но не менее трех, которые располагают таким образом, что слой из наиболее тугоплавкого металла или сплава, являющийся армирующим компонентом, находится между двумя слоями менее тугоплавкого металла или сплава, являющегося матричным компонентом, при этом армирующие и матричные слои чередуются друг с другом, затем сборную заготовку нагревают до температуры горячего деформирования матричного компонента и прокатывают по схеме обжатий, обеспечивающей формирование прочного соединения ее компонентов и сохранение их сплошности, после завершения цикла прокатки полученный слоистый материал подвергают отжигу при температуре, обеспечивающей прохождение процессов рекристаллизации и восстановление пластичности только в матричном компоненте, после чего, на последующих циклах прокатки, число которых зависит от требуемого размера армирующих частиц в материале, заготовку, собранную из слоев, нарезанных из прокатанной полосы, полученной на предыдущем цикле, катают с обжатиями, обеспечивающими формирование прочного соединения компонентов и сохранение сплошности только в матричных слоях.Since the composite material is obtained by multi-cycle rolling of layered prefabricated pieces, assembled from sheets of dissimilar metals or alloys preliminarily cut and cleaned of impurities and oxide films with significantly different temperature ranges of hot deformation and thicknesses capable of perceiving significant plastic deformations during rolling, the prefabricated workpiece in the first cycle rolling should contain an odd number of layers, but not less than three, which are arranged in such a way then the layer of the most refractory metal or alloy, which is the reinforcing component, is between two layers of less refractory metal or alloy, which is the matrix component, while the reinforcing and matrix layers alternate with each other, then the prefabricated workpiece is heated to the temperature of hot deformation of the matrix component and rolled according to the compression scheme, which ensures the formation of a strong connection of its components and the preservation of their continuity, after the completion of the rolling cycle, the obtained layered material according to annealing at a temperature that ensures the passage of recrystallization processes and plasticity recovery only in the matrix component, after which, in subsequent rolling cycles, the number of which depends on the required size of the reinforcing particles in the material, a workpiece assembled from layers cut from a rolled strip obtained on the previous cycle, rolled with compressions, ensuring the formation of a strong connection of the components and maintaining continuity only in the matrix layers.

Способ получения листовых композиционных материалов с дисперсно-армированными частицами проводят следующим образом.A method of obtaining a sheet of composite materials with dispersion-reinforced particles is as follows.

На начальном этапе получают листовую слоистую композицию. В процессе ее получения из листов матричного и армирующего компонента вырезают исходные заготовки с одинаковыми размерами в плане. Затем проводят обработку поверхности заготовок с целью удаления остатков технологической смазки, поверхностных загрязнений, оксидных пленок, используя как механические, химические способы, так и их комбинацию. После обработки поверхности вырезанных заготовок осуществляют их сборку в пакет таким образом, чтобы сборная заготовка содержала нечетное количество слоев, но не менее трех, которые располагают таким образом, что слой из наиболее тугоплавкого металла или сплава, являющийся армирующим компонентом, находится между двумя слоями менее тугоплавкого металла или сплава, являющегося матричным компонентом, при этом армирующие и матричные слои чередуют друг с другом. В пакете заготовки скрепляют с помощью заклепок.At the initial stage, a layered sheet composition is obtained. In the process of obtaining it from the sheets of the matrix and reinforcing component, the initial blanks with the same dimensions in plan are cut. Then, surface treatment of the workpieces is carried out in order to remove residual process grease, surface contaminants, oxide films, using both mechanical, chemical methods, and their combination. After processing the surface of the cut blanks, they are assembled into a package so that the assembled blank contains an odd number of layers, but no less than three, which are positioned so that the layer of the most refractory metal or alloy, which is the reinforcing component, is between two layers of less refractory metal or alloy, which is a matrix component, while the reinforcing and matrix layers alternate with each other. In the package, the workpieces are fastened with rivets.

После сборки пакета его нагревают в печи до температуры горячего деформирования матричного компонента. Затем, нагретый пакет подвергают пластической деформации в валках прокатного стана и прокатывают по схеме обжатий, обеспечивающей формирование прочного соединения его компонентов и сохранение их сплошности.After assembly of the package, it is heated in the oven to the temperature of hot deformation of the matrix component. Then, the heated package is subjected to plastic deformation in the rolls of the rolling mill and rolled according to the compression scheme, which ensures the formation of a strong connection of its components and the preservation of their continuity.

После завершения цикла прокатки полученный слоистый материал подвергают отжигу при температуре, обеспечивающей прохождение процессов рекристаллизации и восстановление пластичности только в матричном компоненте. Затем, отожженную композицию режут на мерные части с удалением боковых кромок и очищают от окислов. Вновь сформированный пакет, состоящий из полученных на первом цикле листовых заготовок, подвергают вышеописанному циклу обработки. Слоистую заготовку после первого цикла прокатки продолжают деформировать за такое количество циклов, пока обеспечивается запас технологической пластичности в матричном компоненте, при этом в армирующем компоненте значительно раньше исчерпывается запас технологической пластичности, что приведет к его разрушению и образованию армирующих частиц.After the completion of the rolling cycle, the obtained layered material is annealed at a temperature that ensures the passage of recrystallization processes and restoration of plasticity only in the matrix component. Then, the annealed composition is cut into measured parts with the removal of the side edges and cleaned of oxides. The newly formed bag consisting of the sheet blanks obtained in the first cycle is subjected to the processing cycle described above. After the first rolling cycle, the layered billet continues to deform for such a number of cycles, while the supply of process plasticity in the matrix component is provided, while the stock of process plasticity is depleted much earlier in the reinforcing component, which will lead to its destruction and the formation of reinforcing particles.

В результате многократного повторения циклов прокатки формируется листовой композиционный материал заданных габаритных размеров и толщины, в структуре которого преобладает распределение частиц армирующего компонента по всему объему матричного компонента, представляющего собой результат топохимического взаимодействия матричных слоев с образованием металлических связей между ними. Путем увеличения количества циклов прокатки можно управлять размером формирующихся частиц армирующего компонента, тем самым создавать композиционные материалы с дисперсно-армированными частицами с требуемыми характеристиками.As a result of repeated repetition of rolling cycles, a composite sheet material of a given overall size and thickness is formed, the structure of which is dominated by the distribution of particles of the reinforcing component over the entire volume of the matrix component, which is the result of the topochemical interaction of the matrix layers with the formation of metal bonds between them. By increasing the number of rolling cycles, the size of the forming particles of the reinforcing component can be controlled, thereby creating composite materials with dispersively reinforced particles with the required characteristics.

Представленный способ получения листовых композиционных материалов с дисперсно-армированными частицами не требует применения специального оборудования и оснастки. Для его осуществления достаточно наличие стандартного прокатного оборудования и нагревательной печи. По сравнению с методами напыления данный способ позволяет получать листовые композиционные материалы преимущественно промышленной толщины и габаритов, кроме того, он имеет относительно низкую себестоимость, а за счет увеличения количества циклов прокатки появляется возможность достичь требуемого размера частиц армирующего компонента, тем самым создавать листовой композиционный материал с необходимыми рабочими характеристиками.The presented method for producing sheet composite materials with dispersively reinforced particles does not require the use of special equipment and equipment. For its implementation, the availability of standard rolling equipment and a heating furnace is sufficient. Compared to spraying methods, this method allows one to obtain sheet composite materials of predominantly industrial thickness and dimensions, in addition, it has a relatively low cost, and by increasing the number of rolling cycles, it becomes possible to achieve the required particle size of the reinforcing component, thereby creating a sheet composite material with required performance.

Пример осуществления способа. Для изготовления листового композиционного материала с дисперсно-армированными частицами толщиной 2 мм в качестве исходных заготовок используются карточки, вырезанные из листа технически чистой меди М1 толщиной 0,5 мм и листа технически чистого алюминия АД1 толщиной 2 мм. Карточки в количестве 3 шт., две из которых из АД1, после очистки и промывки укладывают в пакет таким образом, чтобы более тугоплавкий из компонентов (М1) располагался между компонентами с более низкой температурой плавления (АД1). Карточки соединяют в пакет при помощи заклепок. Затем, пакет нагревают до температуры 450°C. Нагретый пакет прокатывают на листовом прокатном стане с обжатием за первый проход 50%, т.к. эта степень деформации обеспечивает образование качественного и бездефектного соединения компонентов между собой (подтверждено экспериментально). Прокатанную слоистую заготовку отжигают при температуре 450°C с выдержкой в печи в течение часа и разрезают на карточки одинаковых размеров, которые затем очищают, промывают и укладывают в новый пакет простым наложением друг на друга. Аналогичным образом собранный пакет нагревают и деформируют с обжатием 50%.An example implementation of the method. For the manufacture of sheet composite material with dispersively reinforced particles with a thickness of 2 mm, the initial blanks are cards cut from a sheet of technically pure copper M1 0.5 mm thick and a sheet of technically pure aluminum AD1 2 mm thick. Cards in the amount of 3 pcs., Two of which are made from AD1, after cleaning and washing are placed in a bag so that the more refractory component (M1) is located between components with a lower melting point (AD1). Cards are put together in a bag with rivets. Then, the bag is heated to a temperature of 450 ° C. The heated package is rolled on a sheet rolling mill with compression for the first pass of 50%, because this degree of deformation provides the formation of high-quality and defect-free connection of components between each other (experimentally confirmed). The rolled laminated preform is annealed at a temperature of 450 ° C with holding in an oven for an hour and cut into cards of the same size, which are then cleaned, washed and stacked in a new bag by simple application to each other. Similarly, the assembled bag is heated and deformed with a compression of 50%.

Дробление медного слоя с образованием армирующих частиц происходит уже после завершения третьего цикла прокатки. При этом средний размер армирующих частиц в поперечном сечении образца относительно направления его прокатки составил порядка 12 мкм (фиг. 1). Учитывая результаты, полученные при измерении размеров армирующих частиц с помощью методов инструментальной микроскопии, установлено, что после 6 цикла размер армирующих частиц в поперечном сечении образца относительно направления его прокатки не превышал 1 мкм (фиг. 2), что дало основание утверждать о получении материала с дисперсно-армированными частицами.Crushing of the copper layer with the formation of reinforcing particles occurs after the completion of the third rolling cycle. The average size of the reinforcing particles in the cross section of the sample relative to the direction of its rolling was about 12 microns (Fig. 1). Considering the results obtained when measuring the size of the reinforcing particles using instrumental microscopy methods, it was found that after the 6th cycle the size of the reinforcing particles in the cross section of the sample relative to the direction of its rolling did not exceed 1 μm (Fig. 2), which made it possible to claim the receipt of material with dispersed reinforced particles.

Таким образом, в предложенном способе листовой композиционный материал с дисперсно-армированными частицами создается путем многоцикловой прокатки слоистой сборной заготовки, собранной из нечетного количества слоев, но не менее трех, которые располагаются в ней таким образом, что слой из наиболее тугоплавкого металла или сплава, таким образом, являющийся армирующим компонентом, находится между двумя слоями менее тугоплавкого металла или сплава, являющегося матричным компонентом.Thus, in the proposed method, a sheet composite material with disperse-reinforced particles is created by multi-cycle rolling of a layered prefabricated assembled from an odd number of layers, but not less than three, which are located in it in such a way that the layer is made of the most refractory metal or alloy, so thus, being a reinforcing component, is located between two layers of a less refractory metal or alloy, which is a matrix component.

Claims

A method of producing sheet composite materials with dispersed reinforcing particles, comprising assembling a layered preform from sheets of dissimilar metals or alloys having different melting points and previously cleaned of impurities and oxide films, while collecting the package of layers in an odd amount with a number of at least three, moreover, a layer of a more refractory metal or alloy is placed between two layers of a less refractory metal or alloy, after which multi-cycle hot rolling is carried out the collected package and recrystallization annealing, characterized in that the first cycle of multi-cycle hot rolling is carried out to obtain a layered material by forming a connection of its components while maintaining their continuity, while the collected package is heated to a hot deformation temperature of a less refractory metal or alloy, which is a matrix component layered material, and the layer of a more refractory metal or alloy is a reinforcing component of the layered material, and recrystallization Sintering annealing is carried out at a temperature that ensures the passage of recrystallization and plasticity recovery processes only in the matrix component, after which a packet of billets cut from the obtained layered material is assembled and a subsequent hot rolling cycle is carried out, which ensures the formation of the component connection while maintaining continuity only in the matrix layers and obtaining dispersed particles of the reinforcing component, and the number of subsequent cycles of hot rolling is selected from the conditions of receipt predetermined fineness of reinforcing particles in the composite sheet.