Биметаллы и способы их получения

Применение биметаллов, или слоистых композиций, получает все большее распространение при производстве химической, нефтехимической, пищевой и общемашиностроительной аппаратуры благодаря получению уникальных комплексов свойств (высокая коррозионностойкость и прочность, жаропрочность и высокая коррозионностойкость, электропроводность и теплопроводность, технологичность), которыми не обладают составляющие композиционных материалов по отдельности. При этом композиция может состоять не только из двух, но и из большего количества металлов, обладающих разными характеристиками.
По основному назначению современные биметаллы можно разделить на 3 группы:
1. Износостойкие.
2. Коррозионностойкие.
3. Антифрикционные.
Прочность биметаллических материалов практически равна, а иногда и больше прочности материала композиционных слоев (таблица 1).

Основными производственными методами получения биметаллических композитов являются следующие:
1. Холодная и горячая прокатка.
2. Литье.
3. Сварка взрывом.
4. Вакуумно-диффузионная сварка.
Кроме того, существуют еще такие методы, как прессование и волочение, пайка, наплавка, электрошлаковая сварка, холодная сварка, диффузионная сварка, ультразвуковая сварка, сварка трением, но эти способы применяются гораздо реже.
Прокатку используют для производства биметаллических листов, труб, профилей, прутков. Технология горячей прокатки нескольких слоев металла включает в себя подготовку (очистка, травление, промывка, обезжиривание) и сборку компонентов пакета, предварительный нагрев и прокатку, резку, термообработку, правку и отделку.
Для предотвращения окисления прокатываемых слоев применяют различные способы — покрытия, наносимые электролитическим способом, наплавкой или напылением, слои из фольги и пирофорных веществ. В качестве восстановительных веществ используются карбонат магния, карбониды металлов, хлориды, йодиды и фториды металлов. Для прокатки 16ГС-12Х18Н10Т применяют смесь сажи с жидкими углеводородами в пропорции 1:4. Для обеспечения лучшей адгезии также используют промежуточные слои (предварительное плакирование).
Схемы предварительной укладки биметаллических заготовок в пакеты показана на рисунке 1.

Разделительные подслои применяют для одновременной прокатки нескольких биметаллических композитов. В результате исключается коробление и прогиб биметаллов при прокатке.
При сборке биметаллических пакетов требуется их герметизация, которую чаще всего производят путем электросварки (рис.2).

Полученные пакеты нагреваются в печах и прокатываются до нужной толщины (степень обжатия 8-15%).
Прокатка редкоземельных и тугоплавких металлов производится на вакуумных станах.
Рулонная прокатка биметаллов является более производительной, чем пакетная. Процесс можно практически полностью автоматизировать (рис.3).

Одной из главных проблем при прокатке биметаллов является их расслоение. Для уменьшения этого явления применяется прокатка плакирующего слоя из порошка, а также прокатка в профильных валках.
Литье биметаллов осуществляется несколькими способами.
При заливке в изложницы образование композита происходит за счет заполнения жидким металлом зазора между стенками изложницы и слябами из коррозионностойкой стали (рис. 4).

Другим способом является заливка металла в изложницу из плакирующего слоя и на пластину с бортиками (рис. 5).

Цилиндрические заготовки биметаллов получают также методами центробежного литья. При  этом в полость плакируемой детали расплавленный металл подается через желоб с воронкой, а заготовку подвергают либо предварительному нагреву, либо нагреву непосредственно на центробежной литьевой машине газовыми горелками или токами высокой частоты.
Метод литья биметаллов является более простым, по сравнению с прокаткой, однако у него существуют свои технологические ограничения: плохая заполняемость металла узких зазоров между изложницей и пластинами, вероятность расплавления металла пластин, невозможность получения композиций из материалов, образующих легкоплавкие фазовые состояния.
Сварка взрывом является производительным и малозатратным методом получения биметаллических деталей. Уникальность этого процесса заключается в одновременном создании высокого давления 10 000-50 000 атмосфер и скорости нанесения плакируемого слоя порядка 500-1000 м/с. В зоне контакта происходит упрочнение металла. Сварка взрывом позволяет соединять металлы с разнородными свойствами, при этом без применения специализированного оборудования (рис.6).

Ее применяют как для получения плоских листовых биметаллических заготовок, так и для цилиндрических обечаек. Однако этот метод имеет и существенные недостатки: несоблюдение режима сварки взрывом может привести к образованию трещин, оплавлению в зоне контакта и даже к разрушению биметалла, метод эффективен для толстолистовых материалов и требует рихтовки после проведения основных работ.
Вакуумно-диффузионная сварка (ВДС) состоит из нескольких этапов работ: нагрев и сближение элементов композита до возникновения межатомного взаимодействия, образование прочного химического соединения на границе контакта поверхностей в вакуумной среде (или в среде инертных газов), выдержка биметалла под нагрузкой (10...20 МПа) для образования диффузионного процесса. Технология ВДС похожа на сварку взрывом по характеру взаимодействия металлов. Однако в этом случае давление воздействует более длительно. ВДС имеет те же преимущества — возможность соединения материалов с различными свойствами, экономичность ввиду отсутствия дополнительных материалов. При этом остаточные деформации меньше, чем при сварке взрывом, что уменьшает объем заключительных работ. Различные схемы установок ВДС показаны на рис.7.