Введение к работе
Актуальность работы Промышленный подъем в России и переход на интенсивное развитие невозможны без переориентации на ресурсосберегающие технологии на основе тесной интеграции науки и производства во всех отраслях промышленности Развитие и расширение производства требует применения базовых технологий, широкого использования современных технологий, позволяющих добиться значительного повышения эксплуатационных характеристик материалов широкого назначения
Значительно возросло внимание к вопросу изготовления электротехнических изделий, в частности корпусов химических источников тока
В последнее время этот вопрос решается нанесением на стальную ленту покрытий электролитическим способам
Замена сталькой ленты, гальванизированной никелем в конструкциях промышленных аппаратов и машин при изготовлении корпусов химических источников тока на слоистую ленту НСтН (никель-сталь-никель) позволит снизить расход дефицитного никеля, стоимость этих элементов на 15-20% при их улучшении и улучшить другие эксплуатационные характеристики изделий Применение слоистой композиционной ленты позволит получить высокую стабильность толщины никелевых слоев, за счет подпирающих сил контактного трения, а также за счет относительно низкой температуры процесса плакирования добиться минимальной посчойной неравномерности при плакировании, за счет высоких удельных давлений при плакировании устранить пустоты и несплошности, повысить качество и прочность используемых материалов
Получение корпусов химических источников тока из слоистых композиционных материалов (КМ) является сложной задачей Исследование условий соединения и разработка технологических процессов получения многослойных композиционные материалов требует углубленного изучения явлений и представляет собой актуальную задачу, имеющую большое значение
Целью работы является исследование и разработка технологического процесса изготоЕлениі слоистой композиционной ленты НСтН
Для реализации цели получения слоистой ленты НСтН необходимо решение следующих задач
-
Исследование процессов схватывания при плакировании стали никелем
-
Выбор рациональных технологических режимов изготовления слоистого композита
-
Разработка техпроцесса и освоение слоистой композиционной ленты для изготовления корпусов химических источников тока на основе проведения исследований для получения рациональных параметров в соответствии с требованиями по типоразмерам, составу, а также по характеристикам изделий
-
Оценка качества получаемых композиционных лент путем проведения микроструктурных исследований, механических испытаний и определение эксплуатационных хараіггеристик
сведения, что создание покрытий на металлах являете? эффектигным методом получения нового композита, обладающего качественными высокими свойствами покрытия по сравнению с характеристиками основного металл,' Приводится соотношение, которое может быть использовано для расчета прочносш соединения составляющих биметалла в процессах плакирования
В результате проведенного обзора выбрано направление, исследований, сформулирована цель и задачи, поставленные для ее решечня
Во второй главе для исследования схватываемое craj'ii с никелем при холодном плакировании разработана методика, осног.аннач на отслаивании покрытия от подложки Методика предусматривает изготовление образца путём совместной его прокатки с технологическим клином из стали 08кл, имеющим переменную ширину и толщину равную толщине пакета В процессе плакирования за счет увеличения ширины очага деформации и упругой деформации ьалков образец после прокатки имеет перепад деформации по длине 20-25%
Для оценки прочности сцепления слоев избрано отношение усилия раздирания к ширине отслаивания Как показала экспериментальная проверка избранная методика испытаний слоистых металлических образцов с тонкими покрытиями на раздирание должна предусматривать строгую идеіігіічиосіь подготовки исходных материалов и режимов прокатки Методика позволяет регистрировать технологическую деформацию схватывания, соответствующую моменту первичного разрушения покрытия при испытании на раздирание, и скорость сварки, характеризующую интенсивность развития адгезионного взаимодействия исследуемой пары металлов с возрастанием деформации пакета
Величина технологической деформации схватывания может выбираться в качестве оптимальной относительной деформации при разработке технологии холодного плакирования, скорость сварки может использоваться для анализа связи развития адгезионного взаимодействия при холодной сварке прокатко 1 с физико-химическими свойствами компонент
Исследование прочности сварки стали 08ю с никелем при плакировании в вакууме на прокатном стане ДУО-170 проводилось на цилиндрических образцах по известной методике на отрыв
Для исследования теплового расширения трехслойной ленгы никель-сгаль-никель была использована вакуумная установка на базе компаратора И8А-2, которая позволяет вести измерения длины ленточных образцов при нагреве и охлаждении бесконтактным методом и избежать погрешностей, связанных с их деформацией в случае применения кварцевых дилатометров Экспериментальная ошибка при измерении на установке составляет для среднего коэффициента температурного линейного расширения (КТЛР) в интервале температур 20-600С не более 2%
Образцы ленты никель-сталь-никель толщиной 0,35 мм изготавливали методом холодного плакирования Базовые метки для измерения длины компаратором наносили на расстоянии примерно 80 мм друг от друга Нагрев и охлаждение образцов при измерении вели со скоростью 27мин. В начальную длину вносили поправку на расширение от 0С до комнатной температуры
Исследовалось тепловое расширение в интервале температур 0-400С ото-
жженных ( і -fOO С t-~I час) и нагаргованных (с=20-80%) образцов
Оред'.нй коэффициент термического линейного расширения при нагреве рассчитывался но уравнению
при охл?л">'Чн и
„ 2А/я-М.ии 1
Сі (А / = ,
/о АГ
іде /, -исхоїнач длина образца при 0С,
Lxlu -удлинечие обр гзца при нагреве,
А/с*, уь орочение образца при охлаждении
Исследование диффузионных процессов в биметаллической системе железо-никель проводилось с использованием рентгеноспектрального микроанализатора МАР-1, а таі же с помощью изучения структуры переходного слоя на микрошлифах
Запись кривых интенсивности излучения проводилась непрерывно при скорости допжечич шпифа 0 025 мкм/с в направлении, перпендикулярном начальной плоскости ракелі биметалла
Для перерода интенсивности излучения в величины концентрации исполь-зовалеч метод внешнего эталона
Поіуігнлая концентрация в весовых процентах переводилась в атомные проценты і* строились кривые для вычисление коэффициентов взаимодиффузии и их концентрационной зависимости по известным методам Крампа и Матано-Больцмрча и параметров диффузии
В. IPJ :Ь9 "J /3 при исследовании процессов плакирования совместной прокаткой Гііт.';ц?і<іі >сперчментальные работы по изучению закономерностей при плачирозачш* стали никелем холодной прокаткой и горячей прокаткой в вакууме ч исгчсдсч-ичио процессов холодной сварки при совместной прокатке трёхслойное ле іти іь'5 ель-сгаль-иикель
Показало "і о прочность сварки при плакировании в вакууме возрастает с увеличением оож-іпій и не зависит в исследуемом диапазоне от толщины никеля в исходном пакете При температуре прокатки 900-950С, оптимальной величиной деформации, обесточивающей надежную сварку слоев, является относительное об/сатие не менее 25/6
При исследовании процессов двухстороннего холодного плакирования стали никелем показано, что зафиксированная методом «раздирания» технологическая деформация счвлтыгачня растет с увеличением исходной толщины никеля от 62% до 74 > Сюрость сварки составляла 0,6 Н/мм
Исследовано влияние термической обработки образцов, прошедших операцию холодного плакирования, на прочность сварки слоев (Т=100-500С, t=l час)
Показано, что прогрев образцов после холодного плакирования приводит к значительному увеличению на границе раздела суммарной площади участков с прочной металлической связью
При исследовании термического расширения ленточных образцов никель-сталь-никель с разпичиым соотношением слоев установлено, что средний КТЛР при на-
греве и охлаждении ленты нелинейно растет с увеличением содержания никеля Наиболее интенсивный рост наблюдается в области 30-50% нииеля
Образцы НСтН в отожженном состоянии с преимущестгенним. содержанием стали имеют средний КТЛР при охлаждении от 650" до 0С выше, чем при нагреве и сокращают исходную длину Образцы с преимунксгьенгым содержанием никеля увеличивают свою первоначальную длину Остаточное изменение длины образцов происходит главным образом в области іемпераіур выше 3501С
Проведенный расчет послойных напряжений, возшігакшніх з ленте НСтН при нагреве, и сравнение их величины с пределом текуч-сти ьикеля и стали позволили установить, что главной причиной остаточного удлинения или укорочения образцов является микропластическая деформация сгоег.
В образцах с малым содержанием никеля под влиянием напряжений сжатия происходит пластическая деформация никеля Сокращение исходной длины образцов при охлаждении в этом случае может быть объяснено релаксацией растягивающих напряжений в стали Максимальное удаление экспериментальных кривых при нагреве и охлаждении по всей видимости соответствует температуре, при которой растягивающие напряжения в стали полностью снимаются При дальнейшем охлаждении ход кривой определяется сталью и эго несколько приближает кривую охлаждения к кривой нагрева
При содержании никеля более 50% ход кривой расширения при повышенных температурах определяется никелем Первичная пластическая деформация наблюдается в слое стали Удлинение образцов при охлаждении в эгом случае можно объяснить дополнительным удлинением слоя стали при нагреве У деформированных образцов с содержанием никеля более 40% средний КТЛР при охлаждении в интервале 400 - 0С ниже, чем у отожженных
Образцы с содержанием никеля до 20% и степенью деформации 40% имеют практически одинаковую величину КТЛР при охлаждении с отожженными образцами и сохраняют достаточно низкий КТЛР при увеличении содержания никеля до 40-45% ( 7,1-7,5 10"6 град"') Для аналогичных образцов в отожженном состоянии средний КТЛР при охлаждении в интервале 400- 0"С равен 8,5-9,0 10"6 град"1
Нагартовка смещает область перехода о г остаточного укорочения к удлинению образцов в сторону большего содержания никеля
Проведенные исследования использованы в работе при выборе рационального соотношения слоев в ленте и степени нагартовки в состоянии поставки
Приграничная зона в биметаллической системе железо-никель, изучалась на металлографических шлифах при увеличении 120-400 а также с помощью мик-рорентгеноспектрального анализа по вышеизложенной методике Получены коэффициенты и параметры взаимодиффузии и их концентрационная зависимость для системы железо-никель после длительного отжига образцов при температуре 750С, 840С и 940С (t=8-80 час )
В соответствии с диаграммой состояния системы железо-никель (рис 1) при исследуемой температуре 940С компоненты образуют непрерывный ряд твердых растворов
При темпераіурах 750С и 840С в железе растворяется 92 ат% и 97 ат% никеля соответственно, в никеле- только 2-4% железа На рис 2,3 показана микроструктура диффузионной зоны пары никель-железо после отжига 750С 6 час (увеличение х120) и 750С 3 час (увеличение х450) соответственно Выступы по границам зерен от начальной границы раздела проникают в железо на меньшую глубину, что свидетсльствуег о медленной диффузии в рассматриваемой системе Граничная диффузия со стороны железа видна только на рис 3, где увеличение составляет \450 Выступов в сторону никеля не обнаруживается Концентрационные кривые для данной системы после диффузионных отжигов образцов при температурах 750С (6 час) и 840С (4 час) показаны на рис 4, 5 Диффузионная пара, отожженная при 940С, расслоилась по плоскости сварки, по-видимому, вследствие возникновения напряжений при у—>а превращении железа Здесь, также хорошо видно, что глубина проникновения компонентов невелика Две различные съемки образца после отжига 840С дали близкие результаты, кривые при обеих температурах отжига аналогичны по форме Зависимость коэффициентов взаимодиффузии от концентрации представлена на рис 6
Fe Hi
Рис 1. Диаграмма состояния системы железо-никель (Fe-Ni)
Рис.2. Изображение микроструктуры РисЗ. Изображение микроструктуры
диффузионной зоны биметаллической диффузионной зоны биметаллической
пары никель-железо после отжига пары никель-железо после отжига
при 750С, выдержка 6 часов при 750С, выдержка 3 часа
(увеличение х 120) (увеличение х450)
„ 60
# 50
Й 40
X, ms
.20
Рие.4. Концентрационные кривые для системы никель-железо после отжига 750СС, б часов
Рис.5. Концентрационные кривые для системы никель-железо после отжига 840С, 4 часа ( съемка проведена дважды - кривые 1 и 2)
Рис 6 Концентрационная зависимость коэффициентов взаимодиффузии в системе никель-железо
Наряду с этим доля каждого элемента в общем результате может быть различной При этом необходимо учитывать как скорости диффузии железа и никеля, так и их атомную долю в сплаве
Числовые величины коэффициентов и параметров взаимодиффузии приведены в табл 1 Атомные радиусы никеля и железа соответственно равны 1,24 А и 1,26 А Уменьшение скорости диффузии согласуется с порядком увеличения атомных радиусов от никеля к железу Однако увеличение незначительно и, по-видимому, не может служить единственной причиной изменения более, чем на порядок, величины коэффициентов взаимодиффузии Приведенные данные характеризуют диффузию никеля в железо и диффузию железа в никель
Неравномерные переходы на концентрационных кривых объясняются различной скоростью диффузии железа и никеля Таким образом, взаимодиффузию в системе железо-никель можно рассматривать как средний результат от взаимной диффузии никеля с одной стороны и железа- с другой
Было установлено, что глубина проникновения железа в никель значительно больше, чем никеля в железо По другую сторону плоскости сварки концентрация железа изменяется также на более значительном расстоянии, чем концентрация никеля Из этого следует, что атомы никеля занимают преимущественно места атомов железа в диффузионной зоне
Т к коэффициенты взаимодиффузии (по Крампу) для никеля и железа приблизительно равны 3,1 10"14 см2/сек и 2,4 10"12 см /сек из анализа полученных результатов исследований следует, что диффузия никеля в системе железо-никель затруднена из-за оттеснения фронтом железа, диффундирующего в противоположном направлении, т е наблюдается явление восходящей диффузии В то же время взаимная диффузия никеля и железа проходит практически одинаково Это явление можно объяснить значительным усложнением межатомного взаимодействия в системе Термодинамическая активность железа может повы-
шаться относительно никеля в виду того, что никель с железом образует непрерывный ряд твёрдых растворов
Полученные экспериментальные данные использованы при разработке конструкции и выборе режимов отжига слоистой ленты
Таблица 1
Изменение параметров взаимодиффузии от концентрации
>о,см2/сек
0>,ккал/гат
В четвертой главе на основе результатов проведенных исследований был проведён выбор конструкции ленты и материалов. Основным критерием для выбора марки никеля служило качество сварки его с железом в процессе плакирования и сохранение сплошности сцепления слоев после промежуточных отжигов
Был осуществлен выбор методов и основных режимов плакирования прокаткой Подробно рассмотрен технологический процесс получения слоистых плакированных материалов показано, что к основным технологическим операциям любой технологической схемы производства слоистого проката следует отнести -подготовку исходных материалов;
-отделку с операциями резки, правки, термической обработки, удаления поверхностных дефектов В связи с этим, разработана принципиальная технологическая схема изготовления ленты НСтН (рис 7)
Разріботаьньш технологический процесс изготовления ленты НСтН предусматривав г
- плакирование стали никелем на прокатном стане с обжатием за первый проход
25%,
-холодную прокатку ленты на шестивалковом прокатном стане с одним промежуточным ОТ' сигом,
отжиг дл я увеличение прочности сварки слоев и рекристаллизации компонентов при температуре 650-700"С на протяжной водородной электропечи,
прецизионную обрезку кромки ленты на дисковых ножницах типа ВО-408АМ оснащенных следящим устройством
Также были рассмотрены некоторые особенности технологии изготовления ленты НСтН, согласно которым, при разработке технологии прокатки на готовый размер указанного сортамента лент особое внимание уделялось вопросам исключения желобчатосчи и винтообразности, т к данные дефекты отрицательно сказываются на качестве корпусов ХИТ
Обезжиривание никелевой и стальной ленты
Зачистка никелевой и стальной тенты
Раскрои никелевой ленты
Плакирование на прокатном стане
Сборка пакета
'
Контроль,
маркировка,
упаковка
Рис 7 Принципиальная технологическая схема изготовления ленты НСтН
Необходимо также огмегить следующие особенности полученных результатов 1 Согласно лшергтурним данным в системах с ограниченной растворимостью компонентов в гпердом состоянии при высоких температурах концентрационные кривые должны иметь резкий скачок концентрации Область смесей
должна отсутствовать
Однако, полученные в работе концентрационные кривые оказались сглаженными, без резких скачков концентрации, хотя и с более быстрым ее изменением
Отсутствие резкого скачка объясняется наличием переходного слоя толщиной в несколько микрон, который выявлен на фотографиях изображения микроструктуры (рис 2) и представляет собой, по-видимому смесь двух различных растворов
На сглаживание концентрационных кривых влияет также недостаточная локальность микрозонда, т к диаметр электронного пучка составляет не менее 2 мкм, а размер области, в которой происходит возбуждение рентгеновского излучения, может быть еще больше
2 Концентрационная зависимость коэффициентов взаимодиффузии в системе
железо-никель имеет характерную особенность Скорость диффузии резко
снижается в концентрационной области существования смеси твёрдых рас
творов. Более того это снижение проявляется даже в области существова
ния непрерывного ряда твердых растворов при неограниченной раствори
мости компонентов в концентрационной области, соо гветствующей макси
муму на кривой расслоения твердых растворов (при более низкой темпера
туре) Снижение скорости диффузии в этой области, можно связать с низ
кой термодинамической движущей силой, поскольку коэффициенты актив
ности в области расслоения одинаковы в обеих фазах
По всей видимости это явление заметно вследствие близости состояния системы к области расслоения
3 Различия в коэффициентах взаимодиффузии в исследованной системе осо
бенно заметны, когда они близки к значениям парциальных коэффициентов
диффузии никеля в железо Различия уменьшаются когда коэффициенты
взаимодиффузии близки к парциальным коэффициентам диффузии железа в
никель
