Исследование и создание слоистых металлических композиционных материалов для электрометаллургического оборудования

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 6
ГЛАВА 1 ОПЫТ И ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ....................... 21
1.1 Получение неразъёмных соединений разнородных металлов .. 21
1.2 Анализ существующих способов получения биметалла медь-сталь ... 22
1.3 Основные базовые схемы и параметры сварки взрывом ...... 26
1.4 Задачи исследования для оазработки научных основ технологий создания композиционных материалов для деталей и узлов электротермического оборудования .................................... 29
Выводы к главе 1 ........................................... 33
ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ С ИМПУЛЬСНЫМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ............................................... 34
2.1 Экспериментальное определение области качественного соединения
при высокоскоростном соударении ............................ 35
2.2 Определение пластической деформации в зоне соединения .. 44
2.3 Определение прочности материала сварного шва в зоне соединения .. 57
2.4 Оптимизация параметров процесса сварки промышленных крупно-
габаритных изделий с использованием данных по области (укУу) 62
2.5 Сварка промышленных крупногабаритных заготовок биметалла
сталь-медь в подземных камерах.............................. 64
Выводы к главе 2 ........................................... 71
ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЗОНЫ СОЕДИНЕНИЯ БИМЕТАЛЛА МЕДЬ-СТАЛЬ ... 73
2
3.1 Постановка задачи и методика экспериментов ..................... 73
3.2 Термическая обработка и термониклирование ...................... 77
3.3 Тепловое воздействие от сварки плавлением ...................... 83
3.4 Прочность соединения медь-сталь при высоких температурах ....... 85
3.5 Оценка прочности простейших сварных конструкций на основе биметалла медь-сталь ................................................ 88
3.6 Оценка теплопроводности и электропроводности слоистых композиционных материалов.................................................. 95
Выводы к главе 3.................................................. 102
ГЛАВА 4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛА МЕДЬ-СТАЛЬ С ВНУТРЕННИМИ КАНАЛАМИ .............................................................. Ю4
4.1 Анализ технологических особенностей изготовления деталей с внутренними каналами и постановка задачи ........................... 104
4.2 Технологические особенности изготовления биметалла с внутренними каналами с использованием фрезерования и различных заполните-
лей ............................................................ 109
4.2.1 Требования, предъявляемые к материалу заполнителя......... 109
4.2.2 Использование легкоплавких металлов ....................... НО
4.2.3 Использование водорастворимых солей ....................... И2
4.2.4 Разработка технологии и изготовление биметаллических заготовок для тигля электропечи ДТВГ-4ПФ .......................... 117
4.2.5 О некоторых особенностях формы каналов в плакируемых заготовках .................................................... 122
1.3 Получение каналов путём деформирования и вырубки части плакирующего слоя в процессе высокоскоростного соударения ........... 123
3
4.4 Получение каналов путём создания искусственных зон непровара и последующего их раздутия в канал ........................... 13g
Выводы к главе 4 ........................................... 144
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ЭЛЕКТРОЛИЗЁРОВ......................................... 145
5.1 Разработка конструкции и технологии сварки композиционного сталеалюминиевого штыря для алюминиевого электролизёра....... 145
5.2 Разработка и создание установки для получения сваркой длинномерных изделий типа сталеалюминиевого анодного штыря ........ 154
5.3 Разработка конструкции и технологии сварки гибких токоподводов 153
5.3.1 Анализ существующих конструкций и технологий ....... 163
5.3.2 Разработка конструкции и технологии ................ 165
5.4 Оценка возможности изготовления и применения металлических шоистых композиционных материалов на основе сталей СтЗ и У8А для вырубных штампов....................................... 178
5.4.1 Исследование технологических возможностей изготовления металлических слоистых композиционных материалов на основе сталей СтЗ и У8А применительно для вырубных штампов. 178
5.4.2 Оценка надёжности сварного соединения рабочих частей пуансонов и матриц с их основаниями ........................ 182
Выводы к главе 5 ........................................... 187
ЛАВА 6 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И ПЛОСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ПАКЕТНЫМ И РУЛОННО-СПИРАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ СВАРИВАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ .................................. 188
>. 1 Пакетный способ сварки ................................ 188
6.1.1 Анализ и оценка существующих способов .............. 188
4
6.1.2 Разработка пакетного способа сварки тонколистовых заготовок 189
6.2 Пакетно-рулонный способ сварки .......................... 192
6.2.1 Анализ и оценка существующих способов .............. 192
6.2.2 Разработка пакетно-рулонного способа сварки тонколистовых заготовок ................................................ 194
6.3 Сварка многослойных цилиндрических конструкций .......... 208
6.3.1 Анализ и оценка существующих способов .............. 208
6.3.2 Разработка технологии сварки многослойных цилиндрических конструкций на основе рулонно-спиральной намотки листов ... 209
6.4 Сварка многослойных труб ............................... 215
6.4.1 Анализ и оценка существующих способов .............. 215
6.4.2 Разработка технологии сварки многослойных труб с использованием спиральных вставок ................................... 216
Выводы к главе 6 ............................................ 220
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ................................................ 221
ЛИТЕРАТУРА ................................................. 224
ПРИЛОЖЕНИЕ .................................................. 248
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. 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 зависят от интенсивности производства и сроков эксплуатации электротермического и электролизного оборудования. Составной частью интенсификации производства является ускоренное внедрение в народное хозяйство страны ресурсосберегающих технологий. Особое значение имеет экономия металлов как основных материалов отраслей машиностроения. Одним из эффективных путей решения этой проблемы служит 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 сред / 1 /.
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 / 2 /, при реализации которой индивидуальные свойства соединяемых металлов не имеют определённого значения для получения высо-
6
копрочного соединения поверхностей площадью в несколько квадратных метров с широким диапазоном толщин свариваемых слоев.
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» / 3-7 / 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, соединяемых поверхностей, 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 сплава-чи как факт, не вдаваясь в модели и механизмы возникновения неразъёмного соединения. Сварка взрывом как технологический процесс, использующий ис-ипочительно дешёвый источник энергии (взрывчатые вещества (ВВ) на основе шмиачной 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 шметалла медь-сталь в электроплавильных агрегатах большой единичной мощности /8-16/, осуществляющих переходы металлов в жидкое состояние с юследующсй кристаллизацией. К таким агрегатам относятся рудотермические (ечи мощностью до 80 МВт для производства ферросплавов, абразивных материалов, медных и никелевых концентратов, дуговые сталеплавильные печи ём-:остыо до 200 т жидкой стали, крупнейшие в мире установки для электрошла-ового переплава, дуговые вакуумные тигли для выплавки тугоплавких метал-ов - титана, циркония, тантала, электронно-лучевые и плазменно-дуговые ус-ановки различного назначения.
7
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.
Руднотермические печи, выпускаемые отечественной промышленностью, предназначены для производства ферросплавов, файнштейнов, абразивных и других материалов. Дальнейший рост производства стали и повышение её качества обусловлены соответствующим ростом выплавки высококачественных ферросплавов. Важнейшим направлением технического прогресса в ферро-:плавном производстве в настоящее время является повышение единичной мощности закрытых электропечей для выпуска ферросилиция, ферромарганца, шликомарганца, феррохрома и силикохрома. Максимальная единичная мощ-юсть эксплуатируемых печей при производстве ферросилиция, ферромарганца { силикомарганца составляет 63 МВт, при производстве феррохрома и ферро-;иликохрома - 33 МВт. Вместе с тем, разработка конструкций герметичных течей продолжает оставаться актуальной проблемой. Основной задачей герметизации как современных, так и реконструируемых старых печей является ук-
рытие приэлектродного пространства долговечными и надёжными в эксплуатации сводами, что позволит повысить технико-экономические показатели производства ферросплавов, улучшить санитарно-гигиенические условия труда, снизить загрязнение воздушного и водного бассейнов. Условия эксплуатации печей, определяемые воздействием термомеханических нагрузок и агрессивной газовой среды, предъявляют к сводам требования высокой стойкости, исключающей при длительной работе печи возможность вскрытия подсводового пространства и появление газовыделения. Существующие конструкции сварных сводов из малоуглеродистой стали или огнеупорного кирпича не удовлетворяют этим требованиям - быстро прогорают и требуют больших затрат на их обслуживание и ремонт. Вместе с тем, изготовление сводов из биметалла медь-сталь с внутренними каналами для циркуляции охлаждающей жидкости в значительной мере удовлетворило бы требованиям, предъявляемым к сводам в процессе эксплуатации печей (надёжность, интенсивный теплоотвод и герметизация).
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 расплавленных солей при 700... 1000сС . Производственный процесс электролиза связан с большим расходом электроэнергии на производство единицы продукции / 17, 18 /. Надёжность и экономичность электролизного оборудования в значительной степени зависит от материалов, применяемых при изготовлении их 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 атюминия и хлора. Качество соединения исходных меташов между собой в композиционном материале напрямую определяет потери электроэнергии при электролизе и, тем самым, определяет расход электроэнергии, необходимый для производства единицы продукции в каждом электролизёре. Всё выше перечисленное даёт ос-
9
нование считать актуальной задачей разработку технологии сварки слоистых композиционных материалов на основе стали, меди и алюминия для электрометаллургического оборудования, решение которой в значительной степени будет способствовать, в конечном счёте, 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 импульсного деформирования свариваемого металла, пластической деформации в зоне соединения и изучения физических и прочностных свойств материалов соединений с учётом воздействия на материалы условий изготовления и последующей эксплуатации.
На защиту выносятся:
- результаты экспериментального исследования области соединения при высокоскоростной пластической деформации биметалла медь-сталь, определившие нижнюю границу параметров для данной пары;
- методика определения характера и величины пластической деформации по искажению двойниковых пластин отжига, используемых в качестве реперов, дозволяющая установить особенности пластической деформации в узких зонах до 0,5 мкм)у примыкающих к границе соединения;
- результаты исследования влияния различных тепловых воздействий на зрочность соединения биметалла медь-сталь;
- методика оценки прочностных свойств конструкций, изготовленных свар-сой плавлением из биметалла медь-сталь со стальными элементами;
- результаты исследований и опытно-промышленной проверки разработан-шх технологий изготовления биметаллических деталей электротермического )борудования с внутренними каналами;
- методика оценки тепло- и электропроводности в слоистом композицион-юм материале;
10
- методика оценки прочности материала сварного шва в зоне соединения слоистого композиционного материала;
- результаты разработки конструкции и технологии сварки композиционного сталеалюминиевого штыря для алюминиевых электролизёров;
- результаты разработки конструкции и технологии сварки гибких токопод-водов;
- результаты разработки и создания новых технологических способов сварки композиционных материалов с пакетным и рулонно-спиральным расположением свариваемых элементов.
Научная новизна. Для оптимизации параметров получения крупногабаритных композиционных заготовок экспериментально определена область сварки взрывом биметалла медь-сталь в координатах (Ук,у). Установлено, что значения Ук, при которых происходит отклонение нижней границы от прямой (у = 7° ±0,5°) в сторону больших у , связаны со скоростью звука в свариваемых металлах и образованием в зоне расплавов, которые зависят от теплопроводности меди. Разработана методика определения пластической деформации металла на узких участках (до 0,5 мкм) около шовной 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 УкУу. Установлено, что тепловые воздействия на биметалл медь-сталь, имитирующие условия эксплуатации электротермического оборудования, не снижают прочности соединений ниже прочности меди.
Установлено: прочность соединения исходных металлов медь-сталь в сварном шве зоны соединения достигает 444...469 МПа и превышает предел прочности меди в исходном состоянии на ~ 200 %.
Разработана технология вырубки специальных полостей в метаемой заготовке в процессе полёта и косого соударения при получении композиционного ма-
11
гериала, с использованием пластин-ножей шаблонов при соотношении Ибх> 2 , где £ - толщина ножа шаблона, д, - толщина метаемой заготовки.
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 дтырей алюминиевых электролизёров с минимальным падением напряжения па 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 распо-южении свариваемых элементов.
Практическая значимость. Результаты проведённых исследований легли в )снову разработки и оптимизации ряда технологических процессов изготовле-шя металлических композиционных материалов широкой номенклатуры и на-шачения.
При этом разработка технологий и оптимизация параметров соединения ;рупнегабаритных заготовок осуществлялась с учётом особенностей пластиче-:кого деформирования металла околошовной зоны и тепловых процессов, со-фовождающих получение биметалла и его последующую эксплуатацию в уз-1ах и деталях электрометаллургического оборудования. Все технические разра-ютки выполнены на уровне изобретений.
Работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложения, содержит 247 машинописных страниц текста, 119 рисунков, 25 таблиц, 204 на-[менований литературных источников и 3 приложения.
В первой главе: на основе анализа литературных данных рассмотрены ос-ювные способы получения неразъёмных соединений разнородных металлов, делан вывод о перспективности соединения металлов и сплавов в результате
12
развитой пластической деформации соединяемых поверхностей при их высокоскоростном соударении. Рассмотрены существующие базовые схемы и основные параметры процесса образования соединения, выявлена необходимость исследования процесса импульсного деформирования свариваемых металлов, пластической деформации в зоне соединения при сварке взрывом и необходимость оценки прочностных свойств зоны в условиях эксплуатации металлургического оборудования. Уточнены и поставлены задачи исследования.
Во второй главе: экспериментально определены область параметров высокоскоростного соударения, пластическая деформация в зоне соединения, прочность материала шва в зоне соединения и оптимизированы параметры процесса сварки для промышленных крупногабаритных изделий.
В третьей главе: экспериментально определено влияние теплового воздействия на прочность зоны соединения медь-сталь. Разработана методика оценки прочности сварных конструкций на основе биметалла медь-сталь, обеспечивающая условие равнопрочности по взрывному соединению и сварке плавлением.
В четвёртой главе: разработаны технологии изготовления сваркой взрывом биметалла медь-сталь с внутренними каналами: с использованием фрезерования и заполнителей, а также без использования фрезерования и заполнителей.
В пятой главе: разработана конструкция и технология сварки композиционного сталеалюминиевого штыря и установка для его производства. Создана конструкция и технология сварки гибких токоподводов.
В шестой главе: разработаны технологии сварки взрывом композиционных плоских и цилиндрических деталей с пакетным и рулонно-спиральным распо-тожением исходных элементов.
Диссертационную работу завершают общие выводы.
В приложении приведены копии актов внедрения, использования биметал-■юв и оборудования.
13
Основные положения диссертационного исследования опубликованы в 80
работах, наиболее значительными среди которых являются следующие статьи в
реферируемых журналах и изобретения:
1 A.c. N2 976575 СССР, МКИ В23 К20/08. Способ изготовления сваркой взрывом деталей с внутренними полостями [Текст] / Оголихин В.М., Симонов В.А. и др.; заявитель СКБ ГИТ СО АН СССР.- 3003404/25-27; заявл. 18.09.80.
2 Оголихин, В.М. Использование сварки взрывом при изготовлении электротермического оборудования [Текст] / В.М. Оголихин, В.А. Симонов // Применение энергии взрыва в сварочной технике. - Киев, ИЭС им. Е.О. Пато-на.- 1983.-С. 20-28.
3 Оголихин, В.М. О некоторых особенностях детонации плоских зарядов уг-ленита Э-6 применительно к сварке взрывом [Текст] / В.М. Оголихин // Физика горения и взрыва.- 1983.-Т. 19, № 2.- С. 99-101.
4 Оголихин, В.М. Влияние сварки на прочность биметалла сгаль-медь [Текст] / В.М. Оголихин // Автомат, сварка - 1983 - № 3 .- С. 14-15, 20.
5 Бондарь, М.П. Термическая стабильность дисперсно-упрочнённых композиций после динамических нагружений [Текст] / М.П. Бондарь, В.М. Оголихин // Тр. 5-ого мсждуиар. симпоз. о композиционных металлических материалах. - ЧССР, Братислава - 1983.- С. 306-312.
6 Ogolikhin, V.M. Arc welding influence on the steel-copper composites produced by explosive welding [Техт] / V.M. Ogolikhin // HERF: Proc.8th Int. conf., 17-21 June 1984, San Antonio, Texas-New York: ASME.- 1984. - P. 195-197.
7 Оголихин, В.М. Оценка надёжности соединения сваркой взрывом рабочих частей пуансонов и матриц с их основаниями [Текст] / В.М. Оголихин // Кузнечно-штамповочное производство.- 1984. - № 10. - С. 18-19.
14
8 Оголихин, В.М. Сварка взрывом стали СтЗ с инструментальной сталью У8А для изготовления заготовок вырубных штампов [Текст] / В.М. Оголихин // Авиационная промышленность.- 1984. - № 3. - С. 49-50.
9 A.c. 1246492 СССР, МКИ В23 К20/08. Способ изготовления деталей с внутренними полостями сваркой взрывом [Текст] / В.М. Оголихин, В.А. Симонов и др.; заявитель СПКТБ ЭТО ПО «Сибэлектротерм».- № 376562/25-27; заявл. 04.07.84.
10 Бондарь, М.П. Влияние тепловых воздействий на свойства биметалла медь-сталь, полученного сваркой взрывом [Текст] / М.П. Бондарь, В.А. Симонов,
В.М. Оголихин // Применение энергии взрыва в сварочной технике. - Киев, ИЭС им. Е.О. Патона, 1985.- С. 17-22
11 Бондарь М.П. Исследование влияния тепловых воздействий на биметалл медь-сталь, полученный сваркой взрывом [Текст] / М.П. Бондарь, В.А. Симонов, В.М. Оголихин // Использование энергии взрыва для производства металлических материалов с новым свойствами: Матер. 6-го междунар. симп., ЧССР, Готвальдов, 22-24 окт - 1985.- Т 2.- С. 340-344.
12 Бондарь, М.П. О пластической деформации в зоне соединения при плакировании взрывом [Текст] / М.П. Бондарь, В.М. Оголихин // Физика горения и взрыва.- 1985.-Т. 21, № 2.-С. 147-151.
13 Бондарь, М.П. Деформационное состояние зоны соединения при сварке взрывом и механизм её образования [Текст] / М.П. Бондарь, В.М. Оголихин // Использование энергии взрыва для производства металлических материалов с новыми свойствами методами сварки, плакирования, упрочнения и прессования порошков взрывом: Матер. 6-го междунар. симп., ЧССР, Готвальдов, 22-24 окт.- 1985. -Т 2.- С. 291-298.
14 Оголихин В.М. Сварка взрывом биметалла медь-сталь [Текст] / В.М. Оголихин, В.А. Симонов // Использование энергии взрыва для производства ме-
15
таллических материалов с новыми свойствами: Матер. 6-го междунар. симп., ЧССР, Готвальдов, 22-24 окт.- 1985-Т. 2 -С. 224-230.
15 Bondar, М.Р. Plastic Deformation in Bonding Zone under Explosive Welding and its Role in Bonding Formation [Text] / M.P. Bondar, V.M. Ogolikhin. - J. de Physigue, 1985.-T. 46, Suppl. No. 8. - P. 379-384.
16 Ишуткин, C.H. Экспериментальное определение области сварки взрывом биметалла медь-сталь [Текст] / С.Н. Ишуткин., В.В. Пай, В.А. Симонов,
В.М. Оголихин // Применение энергии взрыва в сварочной технике. - Киев.: ИЭСим. Е.О. Патона, 1985-С. 12-17.
17 А.с. № 1345043 СССР, F 27 D 1/12. Устройство для охлаждения узлов печи [Текст] / И.А. Немировский, Е.В. Мейерович, В.М. Оголихин, и др.; заявитель ПО «Центроэнергоцветмет».- № 4078010/23-02; заявл. 24.04.86; опубл. 15.10.87, Бюл. № 38.
18 А.с. № 1358550 СССР, МКИ 4G 01 N 3/08. Образец для определения прочностных характеристик биметаллов [Текст] / В.М. Оголихин, А.И. Котляр; заявитель С КБ ГИТ СО АН СССР.- № 4035851/25-28; заявл. 10.03.86.
9 Simonov, V.A. Using explosive welding to fabricate blanking dies and punches [Text] / V.A. Simonov, V.M. Ogolikhin // Metallurgical. Appl. of Shock Wave and High-Strain-Rate Phenomena.- New York-Basel, 1986. - P. 917-925.
0 Бондарь, М.П. Пластическая деформация и образование связи при сварке взрывом медных пластин [Текст] / М.П. Бондарь, В.М. Оголихин // Физика горения и взрыва - 1988.-№ 1.-С. 122-127.
1 Bondar, М.Р. On effect of initial structure of explosively welded materials in finite strength properties of composites [Text] / M.P. Bondar, V.M. Ogolikhin, V.A. Simonov // X Int. conf. 18-22 Sept., 1989, Ljubljana, Yugoslavia, - Ljubljana, 1989.-P. 224-229.
16
22 Бондарь, М.П. Прочностные характеристики биметаллических композитов, полученных сваркой взрывом [Текст] / М.П. Бондарь, В.М. Оголихин, В.А. Симонов // Применение энергии взрыва в сварочной технике. Сб. науч. тр.-Киев, ИЭС им. Е.О. Патона- 1989 - С. 76-79.
>3 Патент № 1343075 РФ, МКИ 6В 23 К 20/08. Способ изготовления деталей с внутренними полостями [Текст] / В.М. Оголихин; заявитель СКБ ГИТ СО АН СССР. -№ 4823568/08; заявл. 07.05.90; патентообл. КТИ ГИТ СО РАН; опубл. 27.02.95, Бюл. № 6.
24 Бондарь, М.П. Использование процесса рекристаллизации для характеристики деформационного состояния соединений, полученных сваркой взрывом [Текст] / М.П. Бондарь, В.М. Оголихин // Обработка материалов импульсными нагрузками. Тематический сборник 4601. - Новосибирск.- 1990- № 3/08.-С. 251-269.
25 Оголихин, В.М. Определение прочности материала сварного шва в биметаллах, полученных сваркой взрывом [Текст] / В.М. Оголихин, А.И. Котляр // Обработка материалов импульсными нагрузками. Тематический сборник 4601.-Новосибирск.- 1990. - № 3/08 - С. 260-265.
26 Оголихин, В.М. О некоторых особенностях сварки разнородных металлов при взрывном нагружении [Текст] / В.М. Оголихин // Сб.гОбработка материалов импульсными нагрузками. Тематический сборник 4601. — Новосибирск.- 1990. -№ 3/08.- С. 245-250.
27 Патент № 2031763 РФ, МКИ 6В 23К 20/08. Способ изготовления сваркой взрывом многослойной цилиндрической конструкции [Текст] / В.М. Оголихин; заявитель и патентообладатель КТИ ГИТ СО РАН - № 5048270/08; заявл. 16.06.92; опубл. 27.03.95, Бюл. № 9.
28 Патент № 2064386 РФ, МКИ 6В 23К20/08. Способ получения многослойных труб сваркой взрывом [Текст] / В.М. Оголихин; заявитель и патентооб-
17
ладатель КТИ ГИТ СО РАН.-№ 5048268/08; заявл. 16.06.92; опубл. 27.07.96, Бюл. №21.
29 Патент РФ № 2064387, МКИ 6В 23 К20/08. Способ сварки локальным сдвигом [Текст] / В.М. Оголихин; заявитель и патентообладатель КТИ ГИТ СО РАН.- № 5048269/08; заявл. 16.06.92; опубл. 27.07.96, Бюл. №21.
30 Патент № 2059740 РФ, МКИ С25СЗ/12. Сталеалюминиевый анодный штырь алюминиевого электролизёра [Текст] / В.М. Оголихин, Б.С. Злобин, Г.Е. Зи-бер; заявитель и патентообладатель КТИ ГИТ СО РАН, АО «Метал лургре-монт».-№ 93052800/02; заявл. 29.11.93; опубл. 10.05.96, Бюл. № 13.
31 Патент № 2074076 РФ, МКИ 6В 23К 20/08. Установка для обработки взрывом длинномерных изделий [Текст] / В.М. Оголихин, В.П. Душкин, Г.Е. Зи-бер; заявитель и патентообладатель КТИ ГИТ СО РАН. - № 93051064/08; заявл. 11.11.93; опубл. 27.02.97, Бюл. № 6.
32 Патент № 2074074 РФ, МКИ 6В 23К 20/08. Способ сварки взрывом тонколистовых заготовок [Текст] / В.М. Оголихин; заявитель и патентообладатель КТИ ГИТ СО РАН. - № 5048271/08; заявл. 16.06.92; опубл. 27.02.97, Бюл. №6.
33 Патент № 2074075 РФ, МКИ 6В 23К20/08. Способ сварки взрывом/ [Текст] / В.М. Оголихин; заявитель и патентообладатель КТИ ГИТ СО РАН. -№ 5048272/08; заявл. 16.06.92; опубл. 27.02.97, Бюл. № 6.
34 Оголихин, В.М. Разработка и получение композиционных материалов с определённой тепло- электропроводностью сваркой взрывом [Текст] /
B.М. Оголихин, С.Д. Шемелин // Перспективные материалы.- 2007.- № 1-
C. 61-65.
35 Оголихин, В.М. Сварка взрывом тонколистовых заготовок с пакетным и рулонным расположением свариваемых элементов [Текст] / В.М. Оголихин,
С.Д. Шемелин // Технология машиностроения.- 2007.- № 12.- С. 43-48.
18
36 Оголихин, В.М. Сварка взрывом тонколистовых заготовок с пакетным и рулонным расположением свариваемых элементов [Текст] / В.М. Оголихин,
С.Д. Шемелин // Сварочное производство.- 2007 - № 12.- С. 41-65.
37 Оголихин, В.М. Разработка конструкции и технологии соединения штанги и стержня в сталеалюминиевом штыре [Текст] / В.М. Оголихин, С.Д. Шемелин // Цветные металлы - 2008.- № 2.- С. 68-71.
38 Патент РФ (положительное решение от 21.11.2007). Гибкий токоподвод и способ его изготовления сваркой взрывом [Текст] / Оголихин В.М.; заявитель КТФ ИГиЛ СО РАН. -№ 2006136955/ 09/040228; заявл. 21.11.2007.
19 Оголихин, В.М. Получение многослойных цилиндрических конструкций из спирально свёрнутых листов сваркой взрывом [Текст] / В.М. Оголихин, С.Д. Шемелин//Перспективные материалы.-2007.-№ 6.- С. 64-69.
•0 Оголихин, В.М. О создании композиционных материалов с заданной теплопроводностью сваркой взрывом [Текст] / В.М. Оголихин, С.Д. Шемелин // Технология машиностроения - 2008 - № 4 - С. 5-8.
Материалы работы докладывались и публиковались в сборниках научных рудов международных, всесоюзных и всероссийских конференций, симпозиу-(ов и других научных совещаний. На базе проведённых исследований разрабо-ан ряд научно обоснованных технологий изготовления слоистых металличе-ких композиционных материалов (СМКМ) для изделий электрометаллургиче-кого оборудования, внедрение которых на предприятиях отрасли позволило олучить экономический эффект более 270 млн. руб. в сопоставимых ценах Э07 г.
В заключении приношу благодарность моему научному консультанту лау-*ату премии Совета Министров СССР доктору технических наук, профессору ковлеву Игорю Валентиновичу, в значительной мере определившему основ-ые направления данного диссертационного исследования, проявившему по-гоянное внимание и помощь в выполнении работы.
19
Выражаю также благодарность всем моим коллегам, в особенности сотрудникам КТФ ИГиЛ Семенчуку М.Т., Родикову Г.Г., Шемелину С.Д., оказавшим конкретную помошь при выполнении работы.
Кроме того, автор навсегда останется благодарен своему первому учителю лауреату' Государственной премии СССР к.т.н. Симонову Валерию Александровичу, под руководством которого начинал свои первые исследования по обработке материалов энергией взрывчатых веществ.
20
ГЛАВА 1 ОПЫТ И ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Прогресс в различных областях современной техники в значительной степени зависит от создания и широкого применения новых материалов с комплексом заданных физико-механических свойств, разработка которых в последние десятилетия получила мощный импульс благодаря постановке новых технических задач / 19, 20 /.
Область возможного применения того или иного композиционного материала в первую очередь определяется его составляющими. Композиционный материал на основе меди и стали обладает электро- и теплопроводностью меди и имеет прочностные характеристики, близкие к характеристикам стали. Сочетание данных свойств в одном материале определило перспективность такого материала для изготовления основных деталей и узлов электротермического оборудования.
1.1 Получение неразъёмных соединений разнородных металлов
Основными способами получения неразъёмных соединений разнородных материалов в настоящее время являются сварка и пайка. Способы сварки классифицируют по тем или иным признакам. Например, в работе /21/ разделяют способы получения сварного соединения с применением пластической деформации и без пластической деформации, в работе / 22 / все способы сварки разделены по признаку приложения усилий на две группы: сварку плавлением (без давления) и сварку давлением. Имеются и другие предложения классификации способов сварки, например, по агрегатному состоянию металлов и механизмам процессов, происходящих в зоне соединения, по введённой энергии в свариваемые изделия и т.д. / 23 /.
В настоящее время общепринятой является классификация, учитывающая состояние металлов и наличие давления в зоне соединения в момент сварки. На рисунке 1.1 представлена классификация наиболее распространённых способов
21
сварки материалов / 24 / с учётом состояния металлов и наличием давления в зоне соединения.
Рисунок 1.1 - Классификация способов сварки
1.2 Анализ существующих способов получения биметалла медь-сталь
Биметалл медь-сталь можно отнести к классу композитов, исходные компо-енты которого имеют существенно разные физические и механические свой-гва (таблица 1.1) / 25 /.
Кроме того, медь и сталь имеют ограниченную взаимную растворимость в зёрдом состоянии и плохую смачиваемость в жидком. Эти различия в значительной мере ограничивают возможности соединения материатов традицион-ыми способами сварки.
По вопросам сварки меди и её сплавов со сталью опубликовано достаточно эльшое количество работ / 26-44 /. Это объясняется, прежде всего, разнообра-
22
шем и трудностью задач, которые приходилось решать в каждом конкретном :лучае, и сложностью сварки данной пары.
Таблица 1.1 - Физические и механические свойства меди и стали СтЗ
Физические и механические свойства Медь Сталь СтЗ
Предел прочности сгв, МПа 200-250 380-430
Предел текучести сутУ МПа- 70 220-240
Микротвёрдость Ну, МПа 1000 1800
Температура плавления, 0 С 1083 1535
Теплопроводность Ху Вт/ м- °С 301 39
Сварка плавлением. Независимо от источника нагрева и передачи энергии в вариваемые материалы (дуги при электродуговой сварке / 32 /, газового пла-[ени при газовой сварке / 38 /, луча при электроннолучевой и лазерной сварке 30, 34/, расплава флюса при электрошлаковой сварке / 23 / и т.д.) при сварке давлением меди со сталью происходит их расплавление и соединение между эбой в жидкой фазе. При наплавке меди на сталь и их сварке наблюдается роникание меди в сталь с образованием макротрещин / 26, 37, 38, 40, 45 /. 06-азование макротрещин резко снижает прочностные свойства зоны соединения иметалла медь-сталь / 37 /. Для устранения появления трещин рекомендуется редварительно наплавлять на сталь дополнительные подслои или применять ромежуточные вставки / 45 /, что связано с дополнительными расходами и на-ячием специального оборудования. В принципе, крупногабаритные заготовки, зобходимые для изготовления основных узлов и деталей электротермического зорудования, можно изготавливать методом литого плакирования или наплав-і медного слоя на сталь. Но из-за образования трещин и значительной порис->сти в зоне соединения, резко снижающих прочностные свойства зоны соеди-зния, данные методы не получили широкого применения в электротерм и че-
23