Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Современное развитие промышленности напрямую связано с широким внедрением новых материалов, сочетающих в себе высокие технико-эксплуатационные свойства, технологичность изготовления и низкую себестоимость производства. В машиностроении, энергетике и электрометаллургии создание новых перспективных материалов, в частности, металлических слоистых композитов, всегда было одним из приоритетных направлений развития. В электрометаллургии увеличение выпуска цветных металлов, стали, ферросплавов, тугоплавких металлов в значительной степени зависит от интенсивности производства и сроков эксплуатации электротермического и электролизного оборудования. Составной частью интенсификации производства является ускоренное внедрение в промышленность страны ресурсосберегающих технологий. Особое значение имеет экономия металлов как основных материалов отраслей машиностроения. Одним из эффективных путей решения этой проблемы является широкое применение слоистых металлических композитов, позволяющих значительно снизить металлоёмкость конструкций и одновременно оптимизировать эксплуатационные характеристики машин и агрегатов. В ряде конструкций оптимальные эксплуатационные свойства можно получить лишь при условии применения составных или комбинированных узлов из разнородных металлов (слоистых композитов). Из таких металлов изготавливается не вся конструкция, а лишь те участки, которые испытывают воздействие силовых нагрузок, температур или агрессивных сред.
Существенная экономия дорогостоящих и дефицитных металлов и сплавов достигается в слоистых композитах благодаря наличию определённых сочетаний физических и механических свойств, которыми не обладает каждый элемент в отдельности. Широкие возможности создания таких материалов обеспечивает сварка взрывом, как принципиально новая технология получения неразъёмных соединений, при реализации которой индивидуальные свойства соединяемых металлов не имеют определённого значения для получения высокопрочного соединения поверхностей площадью в несколько квадратных метров с широким диапазоном толщин свариваемых слоёв.
Соединение металлов и сплавов в результате развитой пластической деформации соединяемых поверхностей при их высокоскоростном соударении за счёт энергии взрывчатых веществ получило краткое, принятое во всём мире название «сварка взрывом» по аналогии со сваркой плавлением, сваркой трением, сваркой давлением и т.д. В этом процессе взрывчатое вещество выполняет роль энергоносителя и не более. Сам же процесс образования соединения происходит в рамках законов упругопластического деформирования материалов, что подтверждается формой и свойствами соединяемых поверхностей. В этом смысле дискуссионным остаётся вопрос, к какому виду сварки этот процесс отнести – к сварке давлением или сварке плавлением. Но эти вопросы в диссертации не обсуждаются, т.к. используется возможность образования соединения между различными металлами и сплавами как факт, не вдаваясь в модели и механизмы возникновения неразъёмного соединения. Сварка взрывом как технологический процесс, использующий исключительно дешёвый источник энергии (взрывчатые вещества (ВВ) на основе аммиачной селитры), успешно применяется для получения крупногабаритных слоистых композитов в виде двух– и многослойных заготовок под прокат, биметаллических листов, плит и трубных заготовок различного диаметра.
Примером эффективности слоистых композитов является использование биметалла медь-сталь в электроплавильных агрегатах большой единичной мощности, в которых осуществляется переход металлов в жидкое состояние с последующей кристаллизацией. К таким агрегатам относятся рудотермические печи мощностью до 80 МВт для производства ферросплавов, абразивных материалов, медных и никелевых концентратов, дуговые сталеплавильные печи ёмкостью до 200 т жидкой стали, крупнейшие в мире установки для электрошлакового переплава, дуговые вакуумные тигли для выплавки тугоплавких металлов – титана, циркония, тантала, электронно–лучевые и плазменно–дуговые установки различного назначения.
Электрометаллургические процессы производства металлов и сплавов характеризуются одновременным воздействием интенсивных тепловых потоков, статических и вибрационных нагрузок на основные рабочие узлы установок. Очевидно, что интенсивный и равномерный по площади отвод тепла из зоны расплава к охлаждающей среде мог бы обеспечить сравнительно тонкий слой меди, обладающий высокой теплопроводностью и исключающий возможность локальных перегрузок поверхности, которая ограничивает объём жидкого металла. Однако при высоких температурах медь имеет малую прочность, что определяет её повышенный расход при создании цельномедных конструкций. В этих условиях биметалл медь–сталь является единственным слоистым композитом, обладающим высокой электро- и теплопроводностью меди и прочностными свойствами стали. Помимо существенной экономии меди по сравнению с цельномедными конструкциями, стальной слой биметалла позволяет не только обеспечить необходимый уровень прочности элементов конструкции при интенсивных термомеханических воздействиях, но и использовать наиболее простые технологические и конструктивные решения при изготовлении и монтаже установок в целом.
Составной, но самостоятельной частью электрометаллургии является электрохимическое получение металлов и неметаллических материалов методом электролиза. В промышленных масштабах алюминий, магний, калий, хлор и др. получают электролизом из расплавленных солей при 700…1000 С. Производственный процесс электролиза связан с большим расходом электроэнергии на производство единицы продукции. Надёжность и экономичность электролизного оборудования в значительной степени зависит от материалов, применяемых при изготовлении основных узлов и деталей. Биметалл сталь-алюминий широко используется в конструкциях анодных штырей электролизёров по производству алюминия, биметалл алюминий-медь применяется в качестве переходников и шин в электролизёрах по производству алюминия и хлора. Качество соединения исходных металлов между собой в композиционном материале напрямую определяет потери электроэнергии при электролизе и, тем самым, задаёт расход электроэнергии, необходимый для производства единицы продукции в каждом электролизёре. Всё выше перечисленное даёт основание считать актуальной задачу разработки технологии сварки слоистых композиционных материалов на основе стали, меди и алюминия для электрометаллургического оборудования, решение которой в значительной степени будет способствовать увеличению выпуска стали, ферросплавов, цветных металлов, специальных сплавов и других материалов в нашей стране.
Цель работы. Разработка научно-обоснованной технологии изготовления слоистых композиционных материалов на основе стали, меди и алюминия для деталей и узлов электрометаллургического оборудования на базе исследования процесса высокоскоростного деформирования соединяемых металлов, развитой пластической деформации в зоне соединения и изучения физических и прочностных свойств материалов и их соединений с учётом воздействия условий изготовления и последующей эксплуатации.
Научная новизна. Для оптимизации параметров получения крупногабаритных композиционных заготовок экспериментально определена область сварки взрывом биметалла медь–сталь в координатах , где – скорость точки контакта, – углом соударения. Установлено, что значения , при которых происходит отклонение нижней границы от прямой в сторону больших , связаны со скоростью звука в свариваемых металлах и образованием в зоне соединения расплавов, которые зависят от теплопроводности меди. Разработана методика определения пластической деформации металла на узких участках (до 0,5 мкм) околошовной зоны сварных соединений, недоступных для известных методик, основанная на использовании двойников отжига в качестве реперов. Показано, что качество соединения зависит от толщины области интенсивного пластического течения, которое определяется параметрами соударения . Установлено, что тепловые воздействия на биметалл медь–сталь, имитирующие условия эксплуатации электротермического оборудования, не дают снижения прочности соединений ниже прочности меди.
Установлено: прочность соединения медь-сталь в сварном шве зоны соединения достигает МПа и превышает предел прочности меди в исходном состоянии примерно на 200 %.
Для создания водоохлаждающих полостей в биметалле разработана технология вырубки специальных полостей в метаемой заготовке в процессе полёта и косого соударения при получении композиционного материала с использованием пластин-ножей шаблонов при соотношении , где – толщина ножа шаблона, – толщина метаемой заготовки, исключающая трудоёмкую операцию фрезерования полости.
Разработана технология создания полостей в композиционном материале из специальных зон непровара, получаемых в композиционном материале, и их последующего гидравлического раздутия в канал.
Созданы конструкция, технология и оборудование для производства с использованием взрывного соединения композиционных сталеалюминиевых штырей алюминиевых электролизёров с минимальным падением напряжения на контактах алюминий-сталь, не превышающим 180 мВ при силе тока 300 А.
Разработана и обоснована технология изготовления слоистых композиционных материалов различной формы при пакетном и рулонно-спиральном расположении свариваемых элементов.
Практическая значимость. Результаты проведённых исследований легли в основу разработки и оптимизации ряда технологических процессов изготовления металлических композиционных материалов широкой номенклатуры и назначения. При этом разработка технологий и оптимизация параметров соединения крупногабаритных заготовок осуществлялась с учётом особенностей пластического деформирования металла околошовной зоны и тепловых процессов, сопровождающих получение биметалла и его последующую эксплуатацию в узлах и деталях электрометаллургического оборудования. Все технические разработки выполнены на уровне изобретений, значительная часть которых внедрена в производство. Справка об использовании результатов и акты внедрения находятся в приложении к диссертации.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на международных,
всесоюзных и всероссийских конференциях и симпозиумах (1987 г. – Киев; 1985 г. – Москва, Минск; 1988 г. – Волгоград, Минск, Барнаул; 1984 г. – США; 1985 г. – Чехословакия, Франция; 1984 г. – Югославия; 1990 г. – Новосибирск; 1999 г. – Байкальск, 2003 г. – Томск, Екатеринбург; 2005 г. – Алма–Ата, 2006 г. – Белово, Новосибирск), а также на научных семинарах ВолГТУ, БГТУ и ИГиЛ СО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 работ, в том числе 11 статей в журналах из перечня ВАК для обязательной публикации результатов докторской диссертации, 10 работ в сборниках трудов международных конференций и симпозиумов, 34 изобретения.
Работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложения, содержит 247 машинописных страниц текста, 119 рисунков, 25 таблиц, 203 наименований литературных источников и 3 приложения.
