Особенности образования соединения металлов при совместной пластической деформации

Основным промышленным способом получения слоистых композиционных материалов широкого класса является прокатка (в горячем или холодном состоянии). В данном разделе проанализированы современные представления о получении слоистых композитов совместной пластической деформацией.

М.Г. Лозинский и А.И. Тананов в результате исследования процесса производства биметалла стать 3 + сталь 12Х18Н10Т горячей прокаткой предлагают рассматривать соединение металлов в условиях совместной пластической деформации при высоких температурах как комплексный процесс, который может быть разделен на три стадии (рис. 2.7).

Схема образования соединения металлов / и 2 при горячем плакировании (заштрихованы зоны, в которых размер

Рис. 2.7. Схема образования соединения металлов / и 2 при горячем плакировании (заштрихованы зоны, в которых размер

и форма зерен отличаются от размера и формы зерен основного металла): а—в — различные стадии процесса

Первая стадия характерна развитием механической связи между слоями, обжатием неровностей поверхностных слоев, частичным разрушением оксидных пленок, а также контактированием локальных участков ювенильных поверхностей, сопровождающимся появлением узлов схватывания.

На второй стадии происходит превращение узлов схватывания в мостики сцепления, что приводит к уменьшению свободной энергии контактирующих поверхностей и появлению вблизи границы раздела зон с повышенной концентрацией вакансий, дислокаций и других дефектов строения металла. При этом участки разрушенных оксидных пленок, находящиеся между мостиками сцепления, стремятся превратиться в отдельные шаровидные частицы, обладающие меньшим запасом свободной энергии.

На третьей стадии мостики сцепления превращаются в межслойную границу. Это происходит в результате диффузионных процессов, вызванных воздействием температуры и усиленных появлением дефектов строения металлов вблизи границы раздела слоев. Одновременно происходит измельчение и «рассасывание» частиц оксидных пленок, чему способствуют процессы рекристаллизации, перестраивающие поверхности контактирующих зерен.

В процессе образования соединения при горячей прокатке С. А. Го- лованенко выделяет еще два этапа (стадии): четвертый — охлаждение и пятый — термическая обработка. На четвертом этапе продолжаются изменения структуры и свойств соединения в результате аллотропического превращения или выпадения избыточных фаз. Результаты этих процессов определяются составом соединяемых металлов и скоростью охлаждения. При этом прочность соединения слоев может как возрастать, так и снижаться.

Пятый этап охватывает явления, вызываемые последующей термической обработкой биметалла. При этом в сплавах, претерпевающих фазовые превращения, происходит перекристаллизация, а в остальных сплавах — рекристаллизация и релаксация напряжений. В зоне соединения во время термической обработки интенсивно протекают диффузионные процессы.

При холодной совместной прокатке предложен следующий механизм формирования соединения. Приконтактные слои соединяемых металлов, предварительно обработанные металлическими щетками и не имеющие запаса пластичности, во время совместной деформации симметрично разрушаются. Образующиеся при этом трещины заполняются металлами с ювенильными поверхностями, которые, вступив в контакт, схватываются. Схватывание происходит дискретно в областях интенсивного пластического течения, где плотность вышедших на поверхность дислокаций максимальна. Дальнейшее повышение степени деформации приводит к увеличению числа и величины мостиков сцепления, которые объединяются и охватывают всю площадь контакта металлов.

Процесс соединения металлов в твердом состоянии и его результат, основной показатель которого — прочность и сплошность соединения слоев, во многом зависят от состояния контактных поверхностей. Они характеризуются геометрическими параметрами, наличием оксидных пленок, адсорбированных слоев, газов и масел, различных случайных загрязнений, а также структурой.

Геометрическое понятие поверхности — это след движения линии в пространстве по определенному закону, которая (линия) может изменить свою форму. В технике же под поверхностью обычно понимают границу физических тел.

Известно, что поверхности физических тел отклоняются от геометрических форм, заданных чертежом. Это касается как относительно больших, так и относительно малых участков поверхности, отклонения формы поверхности от идеальной можно разделить на четыре группы: общие для всей поверхности; зональные (макрогеометрические); местные (микрогеометрические); субмикроскопические.

При анализе состояния контактных поверхностей соединяемых металлов в первую очередь следует учитывать местные (микрогеометрические) отклонения, которые характеризуются волнистостью и шероховатостью. Последняя зависит от способа предварительной обработки поверхности и оценивается средней высотой микровыступов, которая изменяется в широких пределах: от 0,3—1,0 мкм в результате полирования до 20—50 мкм после зачистки абразивным инструментом. В слоистых композитах с тонким твердым плакирующим слоем шероховатость контактных поверхностей может стать причиной раз- нотолщинности, а при пониженных пластических свойствах привести даже к возникновению периодических разрывов в плакирующем слое.

О характере деформации поверхностного слоя металла можно судить по результатам смятия выступов шероховатости сдавливанием их плиткой Иогансона, у которой почти идеально плоская поверхность. Даже при давлении сжатия, значительно превышающем предел текучести металла, выступы полностью не сминаются, т.е. поверхность остается шероховатой. Это явление можно объяснить высокой степенью упрочнения поверхностного слоя (в 3,3 раза для меди, в 4,6 раза для железа и в 5,6 раза для алюминия), насыщенностью его различными дефектами, присутствием в металле оксидной фазы, в результате чего микротвердость поверхностного слоя достигает высоких значений.

Физическое состояние поверхности твердого тела характеризуется наличием и составом поверхностных пленок и особенностями структуры поверхностных слоев. Поверхностные пленки, их состав и свойства оказывают существенное влияние на процесс соединения металлов. Ювенильно чистая металлическая поверхность существует только в первые мгновения после механической обработки, а на воздухе поверхность с большой скоростью покрывается оксидными пленками, а также слоями адсорбированных молекул воды, газов и жировых веществ. Толщина таких покрытий различна. Так, толщина пленки паров воды составляет 50—100 молекул, жировые слои имеют еще большую толщину. Полностью удалить масляные покрытия с поверхности металла практически невозможно, поскольку адсорбционная связь жировых молекул и металла представляет собой связь чисто электрическую. Жировые молекулы при этом способны глубоко проникать в микротрещины на поверхности металла, оказывая сильное расклинивающее действие. На поверхности металла могут находиться также различные случайные загрязнения — частицы абразивов, силикатов и др.

Состав оксидной пленки и ее толщина зависят от природы металла, состава окружающей газовой среды и условий их взаимодействия (температуры, давления, продолжительности). Оксидные пленки на металлах образуются в результате физической адсорбции — захвата поверхностными атомами металла молекул газов, в первую очередь кислорода, и последующей химической адсорбции — взаимодействия атомов газа и металла, в результате чего возникают прочные связи. Пленки образуются уже при комнатной температуре и сравнительно быстро достигается некоторая их максимальная толщина (для алюминия — 2—4 нм, железа — 5—10 нм, меди — 10—20 нм). Толстые пленки (окалина) возникают при высоких температурах. Если металл образует несколько оксидов, то формируется многослойная окалина, например для железа оксиды Fe0-Fe203— Fe304.

В процессе совместной пластической деформации металлов поведение пленки определяется прочностью ее связи с металлом, отношением твердости оксида к твердости металла, а также ее толщиной. Более прочной связью обладают тонкие пленки, чем больше отношение твердости оксида к твердости металла, тем легче разрушаются пленки в результате пластической деформации. Для облегчения появления ювенильных участков на контактные поверхности наносят искусственные хрупкие пленки, например тонкие гальванические покрытия, а также упрочняют поверхность с помощью механической обработки. Так, твердость поверхностного слоя по отношению к твердости основного металла можно повысить для меди, железа и алюминия соответственно в 3,3; 4,6 и 5,6 раза.

Поверхностные слои металла по своему строению и свойствам могут значительно отличаться от его внутренних объемов, что во многом обусловливается характером предшествующей обработки. Например, любой способ механической обработки искажает кристаллическую структуру поверхностного слоя, увеличивает число вакансий и плотность дислокаций в нем. Прокатка вызывает наклеп и появление текстуры деформации, приводит к неоднородности свойств и структуры по толщине металла, к возникновению остаточных напряжений.

Одним из параметров, характеризующих физическое состояние контактных поверхностей соединяемых металлов, является их энергетическое состояние, которое оценивается путем определения величины работы выхода электрона с поверхности методом динамического конденсатора в атмосферных условиях.

Величину поверхностной энергии можно определить по формуле

где q — работа выхода электрона, эВ; Z — количество свободных электронов на один атом; г — атомный радиус, А.

Установлено, что зачистка контактных поверхностей приводит к уменьшению работы выхода электрона на 0,296 эВ, а присутствие смазки — к увеличению ^нсх на 0,35 эВ. Снижение уровня работы электрона приводит к возрастанию прочности соединения слоев композита. Относительная работа выхода электрона q„Cx/qo ^ 1,04 (qu — работа выхода электрона с физически чистой поверхности) предопределяет низкий уровень прочности соединения стали с латунью даже при максимально высоких обжатиях пакета в плакирующем проходе. Увеличение времени выдержки подготовленных к плакированию заготовок в атмосфере цеха приводит к увеличению величины относительной работы выхода электронов с 1,01 до 1,06.

На основе проведенных в МИСиС исследований был предложен комплексный критерий оценки качества контактных поверхностей по величине относительной поверхностной энергии Е/Е„т (?исх — величина исходной поверхностной энергии, характеризующая степень подготовки контактных поверхностей к плакированию; Е величина поверхностной энергии после плакирования, характеризующая воздействие холодной пластической деформации).

Таким образом, оценка энергетического состояния контактных поверхностей заготовок позволяет контролировать качество подготовки составляющих к плакированию и прогнозировать уровень прочности соединения слоев композиционного материала.

Подготовка контактных поверхностей к плакированию — один из важнейших этапов технологии, определяющий прочность соединения металлов. Все способы подготовки контактных поверхностей можно объединить в следующие группы; механические, электролитические, высокоэнергетические, комбинированные.

К достоинствам механических способов (обработка точением, щетками, иглофрезами, абразивными кругами, дробе- и пескоструйными аппаратами) относятся: возможность создания поверхности требуемого профиля и шероховатости; достаточно высокая производительность; легкость удаления с обрабатываемой поверхности остатков кислот, солей и абразивов; возможность включения способа в поточное производство.

Толстолистовой горячекатаный прокат обычно подвергают строганию, фрезерованию или зачистке дефектов ручными станками с наждачным кругом или войлочными кругами с абразивным покрытием. Направление зачистки должно совпадать с направлением прокатки. После зачистки поверхность листа тщательно очищают от абразивной и металлической пыли промывкой в моечной машине или другими способами.

Горячекатаный прокат зачищают в специальных станках абразивной зачистки, инструментом служат абразивные круги или ленты, а также иглофрезы, набранные из стальной проволоки диаметром <0,5 мм. Толщина снимаемого при этом слоя металла составляет 0,03— 0,1 мм.

Шлифование проводят с помощью твердых или эластичных кругов. Твердые абразивные круги применяют для грубой обработки, например для снятия толстого слоя окалины, эластичные круги с нанесенным на них абразивным порошком — для снятия тонких оксидных пленок, сглаживания микронеровностей и т.п. Применяют также лепестковые шлифовальные круги, на которых закреплены листы шлифовальных шкурок или тонкие металлические пластины.

Удаление окалины с поверхности горячекатаных листов и полос производят с помощью роликовых окалиноломателей. При прохождении между косо расположенными роликами полоса испытывает знакопеременный изгиб, при этом в месте изгиба установлены сопла для подачи сжатым воздухом абразивного вещества, в качестве которого используют окалину, песок, стальную или чугунную дробь, имеющие большую твердость, чем твердость очищаемого металла. Ударяясь о поверхность металла, эти частицы сбивают окалину и загрязнения, образуют вмятины и выбоины, например, при пескоструйной очистке глубина углублений составляет 0,04—0,07 мм, при дробеструйной — 0,07—0,1 мм. Недостатками струйных методов являются плохие условия труда, возможность внедрения мелких частиц абразива в поверхностный слой, трудности сбора и очистки частиц для их повторного использования.

Большое распространение получили установки с вращающимися щетками, рабочим элементом которых служит проволока диаметром 0,2—0,8 мм. Различают попутную обработку, при которой направление подачи заготовки или перемещение щетки совпадают с направлением ее вращения, и встречную обработку, при которой направление подачи не совпадаете направлением вращения инструмента. Микрорельеф поверхности при попутной обработке формируется за счет скольжения и трения рабочих элементов по поверхности, при встречной — за счет ударов (уколов).

При контактировании рабочей части проволочного элемента с поверхностью заготовки возможны три варианта формирования рельефа поверхности: сглаживание (полирование), царапание и микрорезание. Сглаживание поверхности осуществляется при мягких режимах обработки, т.е. при малой жесткости проволочного элемента и больших скоростях обработки. При этом наблюдается притупление вершин микрорельефа за счет ударов проволочных элементов, а также их скольжения и трения по поверхности. При формировании рельефа по второму варианту жесткость рабочего элемента при прочих равных условиях выше, чем по первому варианту, а наибольшей жесткостью обладают рабочие элементы при микрорезании.

Скорость обработки щетками составляет 15—45 м/с, скорость подачи в зависимости от состояния обрабатываемых поверхностей — 0,5—30 м/мин. Для очистки стальных заготовок применяют стальные щетки, для больших поверхностей применяют валковые щетки (длина валка более 1500 мм, наружный диаметр — 1000 мм и более). Обработкой щетками можно в широких пределах изменять параметры микрорельефа поверхности, при этом микротвердость поверхностных слоев повышается на 20—50%, возникают остаточные напряжения сжатия.

Эффективна обработка поверхности иглофрезами, имеющими высокую жесткость благодаря плотной упаковке проволок. Режущие кромки тысяч проволок удаляют с поверхности слой металла толщиной до 5 мм, при этом скорость обработки составляет 6—12 м/с. Основной недостаток этого способа — удаление слоя годного металла и значительный износ инструмента.

Интенсификация процесса механической обработки щетками достигается применением ленточных щеток, которые состоят из замкнутой ленты или цепи с прикрепленными к ним плоскими щетками, что позволяет увеличить длину контакта очищаемой поверхности со щетками. Высокого качества очистки можно достигнуть применением механико-акустического способа, который заключается в совместном воздействии на очищаемую поверхность ультразвуковых колебаний и обработки щетками.

Высокоэнергетические способы подготовки контактных поверхностей (лазерный, плазменный, электронно-плазменный и др.) применяют в основном для очистки небольших участков, так как обработка больших поверхностей связана с техническими трудностями и значительными энергетическими затратами.

Традиционный способ удаления окалины с поверхности исходных заготовок — травление в растворах кислот и щелочей. Однако этот способ связан с тяжелыми условиями труда, требует значительных производственных площадей. Для интенсификации процесса травления прибегают к принудительной подаче травильного раствора, его подогреву, приложению к заготовке колебаний и знакопеременного изгиба. Обычно перед травлением производят абразивную зачистку или зачистку вращающимися проволочными щетками, пескоструйную обработку. После травления заготовку подвергают мойке в горячей и холодной воде, сушке.

Важный этап подготовки контактных поверхностей — обезжиривание. Для обезжиривания используют следующие средства: щелочные (погружение, облив, орошение, обрызгивание); растворители (погружение, подача растворителя в паровой фазе, комбинированный способ); эмульсии (орошение или обрызгивание); электролитические способы (анодное, анодно-катодное). В качестве основных компонентов очистительных средств применяют гидроксиды, карбонаты, фосфаты, силикаты, бораты или сульфаты щелочных металлов, в качестве растворителей — трихлорэтилен и тетрахлорэтилен, хорошо растворяющие жиры и масла.

Эффективность электролитического обезжиривания зависит от интенсивности выделения газов, способствующих отрыву частиц жира и грязи; концентрации щелочного раствора на катодных поверхностях; степени окисления участков слоя на стадии выделения, если металл служит анодом, и гидрирования масел водородом, если металл служит катодом. Электролитическое обезжиривание широко используют как подготовительную операцию перед электролитическим осаждением металлов и перед другими способами нанесения покрытий.

Таким образом, обобщение современных представлений о явлении образования сварного соединения между разными металлами позволяет сделать следующее заключение. Основным процессом, определяющим образование соединения, является интенсивная совместная пластическая деформация, которая создает физический контакт поверхностей соединяемых металлов на атомном уровне, активирует их, создавая условия для прохождения процессов массопереноса. Пластическая деформация характеризуется давлением, продолжительностью его действия, температурой, степенью деформации, ее скоростью и дробностью. Влияние всех этих параметров на прочность соединения металлов очень сложно и разносторонне, поэтому при определении технологических параметров производства того или иного композита основываются на данных экспериментальных исследований.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >