Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Материаловедение. Технология композиционных материалов
Посмотреть оригинал

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Методология создания слоистых композитов и проектирования технологии для их производства

Постоянно растущая потребность в новых конструкционных материалах, обладающих сложным комплексом эксплуатационных и технологических свойств, а также высокой ремонтопригодностью и др., вызывает необходимость системного подхода к проектированию слоистых композитов и формированию современных технологических схем их производства.

Схема создания слоистых композиционных материалов содержит следующие основные этапы [2, 9, 10, 18]:

  • 1. Формулировка взаимосвязанных эксплуатационных требований к готовому слоистому композиту (его абсолютные и относительные геометрические характеристики); схемы компоновки слоев — мягких и твердых (М + Т, М + Т+ М,Т+М + Ти т.д.); физико-химические и механические свойства; структура; прочность соединения слоев.
  • 2. Выбор исходных материалов, включающий характеристики соединяемых материалов (показатели свариваемости, соотношение механических свойств, соотношение температур плавления исходных материалов, их способность к деформационному упрочнению и др.).
  • 3. Выбор способов их соединения в слоистую композицию (литое плакирование; холодная или горячая пластическая деформация на воздухе или в контролируемых средах; сварка взрывом; наплавка; напыление; электрохимические способы; комбинации этих способов).
  • 4. Назначение технологических параметров выбранного процесса получения композита, включающее параметры исходных составляющих (показатели механической и конструкционной неоднородности, состояние контактных поверхностей и др.); рациональные технологические параметры выбранных процессов соединения составляющих, например обработка давлением — степень и скорость деформации, температура обработки, условия трения, окружающая среда, натяжение и др.; сварка взрывом — характер ударно-волновой картины, угол соударения пластин, скорости соударения и сварки, давление, температура предварительного нагрева и в зоне сварки и т.д.
  • 5. Определение режимов промежуточной и окончательной термических обработок (температура, продолжительность, скорости нагрева и охлаждения и др.).
  • 6. Определение режимов промежуточной и окончательной пластической обработки.
  • 7. Выбор способа контроля качества готового композиционного материала.
  • 8. Выбор способа утилизации отходов производства.

По геометрическим параметрам слоистые композиты можно подразделить на следующие группы: крупногабаритные горячекатаные и холоднокатаные листы; холоднокатаный рулонный прокат; трубы; сортовые катаные и гнутые профили; изделия сложной конфигурации. Основная потребность в биметаллах приходится на лист, который характеризуется общей толщиной, абсолютной и относительной толщиной плакирующих слоев и габаритными размерами (длиной и шириной). Наибольшие трудности представляет получение листов большой ширины и листов с относительно толстыми плакирующими слоями, а также тонких листов с толщиной плакирующих слоев 3—5% общей толщины композита.

Второй этап предусматривает выбор исходных материалов и способа их соединения в слоистую композицию. Здесь необходимо руководствоваться такими характеристиками металлов, как способность к взаимной растворимости, образованию интерметалли- дов, соотношение температур плавления и механических свойств, электрохимических потенциалов, способность к деформационному упрочнению. Кроме того, следует принимать во внимание геометрические параметры готового композита (абсолютные и относительные толщины слоев и их соотношение, длина и ширина листа, диаметр трубы и т.п.).

Для производства композиционных материалов могут быть привлечены все способы обработки давлением, литейные технологии, сварка взрывом, наплавка, электрохимические способы. Области применения каждого способа ограничиваются тремя основными критериями: характером взаимодействия соединяемых металлов, размерами и формой получаемого биметаллического изделия, толщиной плакирующего слоя, требуемыми физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Исходя из возможностей приведенных способов получения биметаллов можно сделать следующие выводы. Наиболее широким диапазоном возможностей обладает сварка взрывом, позволяющая соединять практически любые металлы, в том числе и те, которые другими способами соединить нельзя (стать + серебро, сталь + свинец, медь + + молибден и т.п.). Сварка взрывом позволяет плакировать не только плоские и цилиндрические изделия (листы, полосы, прутки, трубы), но и изделия сложной формы, например лопатки турбин. Существенный недостаток сварки взрывом — сложность механизации и автоматизации технологических операций, необходимость создания мощных взрывных камер и полигонов, особые требования к технике безопасности. Поэтому этот процесс дает наибольший эффект при получении композиций из трудносоединяемых металлов и крупногабаритных биметаллических листов и труб (стать + титан, углеродистая стать + коррозионностойкая сталь, титан + медь, алюминий + медь и др.).

Широкий класс композиций из пластичных металлов (малоуглеродистая сталь, медь, алюминий, никель и их сплавы) можно получать высокопроизводительными способами горячего и холодного пластического деформирования, в том числе рулонного. Возможности последнего способа в отношении размеров получаемых листов, полос, лент, прутков и труб ограничены мощностью применяемого для плакирования оборудования.

Способы горячей обработки давлением, литья, наплавки и напыления основаны на способности металлов к соединению при высоких температурах. Соединение достигается при взаимодействии расплавленного металла с твердым или в твердой фазе с высокотемпературным нагревом соединяемых металлов. Высокие температуры, способствуя активированию контактных поверхностей, приводят к отрицательным последствиям — окислению металлов, выпадению дисперсных выделений, образованию эвтектик и хрупких интерметаллидных фаз. Эти обстоятельства существенно ограничивают область применения высокотемпературных способов.

Особую группу представляют высокопроизводительные и широко используемые электрохимические способы нанесения тонких металлических покрытий (цинкование, лужение, меднение и др.), возможности и область применения которых хорошо известны. Главное ограничение этих способов — малая толщина плакирующего слоя, его низкая плотность.

Следующий этап создания металлической композиции предполагает назначение рациональных технологических параметров выбранного процесса соединения составляющих на основе накопленных экспериментальных и теоретических данных. Результативность выбранной технологии должна быть оценена с помощью контроля качества готового композита. Для этого необходимо выбрать или разработать надежные способы контроля, в том числе неразрушающего, в частности метод определения прочности соединения составляющих в слоистой композиции.

Одна из наиболее сложных задач — утилизация отходов производства слоистых композиционных материалов. Наиболее простой и эффективный путь — использование отходов в качестве шихтовых материалов при выплавке соответствующих сплавов. Другой путь — создание экономичных термических, механических, химических, электрических или комбинированных методов разделения металлов.

Ученые переходят к проектированию непрерывных технологических комплексов для изготовления слоистых композитов. С применением методов системного анализа разработаны научные основы проектирования технологий и технологических линий для производства композиционных металлических материалов, базирующиеся на принципах объектно-ориентированного подхода.

Так, одной из основных технологических операций, оказывающих значительное влияние на качество получаемого многослойного композиционного материала, является подготовка контактных поверхностей к соединению. В связи с этим данному вопросу уделяется большое внимание на всех стадиях создания технологических линий и агрегатов — при проведении научных исследований, разработке технологических режимов, проектировании оборудования и эксплуатации. Достаточно полная классификация процессов подготовки составляющих многослойного материала (рис. 2.1) необходима для систематизации обширного материала по процессам подготовки поверхности, выработки общей терминологии и установления единых взглядов по рахшчным аспектам их применения. Основным условием эффективности любой системы классификации является рациональный выбор признаков, которые позволили бы единообразно и однозначно описать любой процесс подготовки поверхностей к созданию прочного соединения. Число классификационных признаков должно быть достаточным для характеристики основных разновидностей процессов и в то же время ограниченным, чтобы избежать многочисленных особенностей, определяемых узким назначением процесса или индивидуальностью исполнения.

Применительно к процессам подготовки поверхностей к соединению целесообразно использовать схему классификации по совокупности классификационных признаков, достоинством которой является одновременный учет рахтичных характеристик процесса, а также возможность дальнейшего развития и уточнения отдельных элементов схемы.

Классификация процессов подготовки составляющих композиционного металлического материала к соединению (плакированию)

Рис. 2.1. Классификация процессов подготовки составляющих композиционного металлического материала к соединению (плакированию)

Из анализа литературных данных и экспертного опроса специалистов в качестве классификационных признаков для рассматриваемых материалов можно принять следующие: вид загрязнения поверхности, который определяет назначение процесса подготовки поверхности к соединению (уровень А); метод подготовки поверхности (Б) и конкретный способ его реализации (В); особенности проведения процесса, такие как температура, давление, влажность и т.п. Схема классификации, показанная на рис. 2.1, носит универсальный характер, так как она включает в себя всю гамму известных технических решений; в то же время при необходимости схема может быть уточнена за счет удаления любого уровня или путем введения дополнительных уровней и слоев, учитывающих другие квалификационные признаки.

В соответствии с предложенной классификацией любой конкретный процесс подготовки поверхности к соединению может быть отнесен к определенному классу и обозначен буквенно-цифровым кодом. Например, процесс обезжиривания медной ленты при производстве сталемедной проволоки относится к классу А2Б2В23Г1. Это расшифровывается следующим образом: подготовка поверхности медной ленты связана с удалением органических (жировых) остатков (А2), что осуществляется химическим методом (В2) путем обработки поверхности ленты щелочным (В23) раствором (Б2) при комнатной температуре (Г1).

Важным технологическим процессом, который оказывает большое влияние на качество многослойного металлического материала, является плакирование, которое рассматривается как образование предварительного (в ряде случаев окончательного) соединения составляющих. В качестве основных классификационных признаков можно принять окружающую среду, температуру процесса, состояние соединяемых компонентов, метод соединения и конкретный способ его реализации.

Основным назначением операции предварительного соединения является создание герметичного контакта металлических составляющих для того, чтобы дальнейшую обработку многослойного материала можно было проводить на воздухе как в холодном, так и в нагретом состояниях. Для получения прочного соединения применяют различные процессы обработки металлов давлением (например, листовую или сортовую прокатку, волочение и др.); при этом процессы пластической деформации могут проводиться при комнатной, повышенной и высокой температурах.

Предложенные схемы классификации позволяют реализовать методику проектирования машин и агрегатов для подготовки составляющих многослойного материала к соединению на основе формирования типовых технологических решений и типового оборудования, которые соответствуют типовым классам процессов подготовки поверхности.

С учетом вышеизложенного предложена классификация технологических линий для производства многослойных металлических материалов, позволяющая упростить и в перспективе автоматизировать процесс их проектирования и создания путем использования типовых технологических решений и типового оборудования, соответствующих типовым классам процессов и линий в целом. В соответствии с этой классификацией любая конкретная технологическая линия для изготовления многослойных материалов может быть отнесена к определенному классу и обозначена буквенно-цифровым кодом.

Принципиальная сложность построения функциональной схемы работы линии для производства многослойного материала состоит в том, что технология получения такой продукции в значительной степени зависит от многих факторов: физико-химических свойств и механических характеристик составляющих, числа и толщины (диаметра) отдельных слоев, исходного состояния поверхностей и др.

Основными обобщенными операциями, которые имеют место в подавляющем большинстве известных непрерывных или поточных способов получения данных материалов, являются следующие:

  • — непрерывная или поточная подача составляющих;
  • — подготовка поверхности составляющих к соединению;
  • — предварительное соединение составляющих;
  • — прочное соединение составляющих.

Первая операция необходима для обеспечения непрерывности или поточности технологического процесса производства многослойного материала, что создает объективные предпосылки для повышения производительности процесса и для улучшения качества готовой продукции, а также для применения систем автоматизированного контроля и управления на всех этапах процесса.

Вторая операция включает разнообразные технологические процессы, направленные на активацию поверхностей металлических составляющих многослойного материала в целях получения более прочного и качественного соединения. Среди таких процессов наиболее часто встречаются обезжиривание, механическая зачистка, химическая очистка и др.

Последние две операции следует рассматривать совместно при производстве многослойных металлических материалов с использованием вакуумного прокатного стана, так как уже при 12%-ной деформации в вакууме, как показали наши исследования, достигается практически качественное бездефектное соединение составляющих СКМ. В зависимости от требований к конечному продукту в эту обобщенную операцию включают термическую обработку, калибровку, обрезку кромок, продольную и поперечную резку и т.д.

Агрегатно-модульный принцип был успешно использован при проектировании автоматизированных технологических комплексов (рис. 2.2), содержащих три линии: подготовки основного слоя, подготовки плакирующего металла, модульную. Эти линии могут работать как совместно, так и раздельно.

Схема роботизированного комплекса для производства многослойных полос

Рис. 2.2. Схема роботизированного комплекса для производства многослойных полос:

  • 1, 10, 12, 19 — смоточно-намоточные устройства; 2 — линия для подготовки плакировки; 3 — устройство контроля плакировки; 4 — ковочный модуль; 5, 16 — петлевые устройства; 6, 15 — правильные агрегаты; 7,9— натяжные устройства; 8— агрегат зачистки; 11 — прокатный стан; 13, 17— устройства контроля основы; 14 — агрегат обезжиривания и зачистки; 18—линия для подготовки основы; 20, 26 — роботы- манипуляторы; 21, 25 — роботы-ножницы; 22 — сварочный робот;
  • 23 модульная линия; 24 — управляющее вычислительное устройство
 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы