УДК 621.789: 669.14.019.29

О ВЛИЯНИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА НА ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

 

ON THE INFLUENCE OF FACTOR OF TEMPERATURE ON THE PROCESS OF PRODUCING MULTILAYER METAL MATERIALS

 

Плохих А.И., Минаков А.А. (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ)

Plokhikh A.I., Minakov A.A. (Bauman Moscow State Technical University)

 

В работе было проанализировано влияние температуры как одного из технологических параметров на процесс получения многослойных металлических материалов методом горячей пакетной прокатки.

In this paper the influence of temperature as one of the technological parameters on the process of producing multilayer metal materials by hot pack rolling was analyzed.

 

Ключевые слова: слоистые композиты, многослойные материалы, горячая прокатка, микроструктура, диффузия

Key words: layered composites, multilayer materials, hot rolling, microstructure, diffusion

 

Для создания качественной современной и наукоемкой продукции в различных отраслях промышленности необходимы  материалы с высокими показателями работоспособности и надежности. На сегодняшний день существует большое разнообразие материалов. Однако достаточно интересным в применении может оказаться использование нового класса материалов – многослойных металлических материалов. Такого рода материалы обладают рядом преимуществ. Во-первых, основой для получения многослойных материалов являются широко используемые марки сталей (это позволяет также в значительной степени экономить дорогостоящие легирующие элементы),  во-вторых, формируемая ламинарная (многослойная) структура (рис. 1а) в таких материалах позволяет получить в них необычное сочетание механических свойств [1,2]. При этом важным условием для формирования многослойной ламинарной структуры со слоями субмикронной толщины является сохранение  границ раздела между слоями, исключающее общие зерна и смыкание слоев (рис. 1б). Именно это условие обеспечивает равномерное и постепенное утонение слоев механически – путем деформации прокаткой.

а)

б)

Рисунок 1 – Микроструктура многослойного материала

 

 

 

 

Основной технологией получения многослойных металлических материалов является горячая пакетная прокатка, разработанная схема технологического маршрута которой представлена на рис. 2. Исходным материалом для первого технологического цикла  служат заготовки, полученные мерной резкой из листов сталей двух марок с толщиной 0,5 мм. После резки происходит обработка поверхности заготовок и из них формируется многослойный пакет, состоящий из 100 чередующихся между собой листов сталей по 50 штук каждой марки. Далее пакет вакуумируется и пластически деформируется методом горячей прокатки при температуре      1000 оС. В результате получают многослойный материал толщиной от 10 до 2 мм. Толщина отдельного слоя составляет при этом от 100 до 20 мкм.  Исходным материалом для проведения второго технологического цикла являются многослойные материалы, полученные после первого цикла, которые проходят идентичный технологический маршрут. И по окончанию его синтезируется многослойный материал аналогичного сортамента, но уже с толщинами отдельных слоев от 5 до 1 мкм.

 

Рисунок 2 – Схема технологического маршрута

 

Деформирование многослойного пакета проводится в высокотемпературной области. Процессы теплообмена, происходящие в высокотемпературной области, имеют достаточно сложный характер. Однако общий характер перераспределения температурных полей можно описать следующим образом. Вначале многослойный пакет, извлеченный из печи, охлаждается в результате лучистого и конвективного теплообмена до момента начала прокатки (этот же теплообмен происходит и при выходе из очага деформации). В очаге деформации параллельно друг другу идут два тепловых процесса. С одной стороны, происходит охлаждение пакета за счет поглощения тепла валками прокатного стана.  В противовес этому идет процесс разогрева пакета за счет тепла пластической деформации и трения поверхностей [3,4]. Изучение температурного поля многослойных материалов в процессе горячей деформации было проведено в работе [5]. Автором на примере модельной композиции У8+08Х18Н10 было показано, что при получении многослойной полосы небольшой толщины, происходит резкое снижение фактической температуры заготовки (рис. 3). Таким образом, для поддержания заданной температуры прокатки в процессе реализации технологического маршрута необходимо использование промежуточных подогревов.

Рисунок 3 – Зависимость изменения фактической температуры от толщины полосы [5]

 

В то же время при горячей прокатке в высокотемпературной области следует также не забывать и об происходящих процессах диффузии легирующих элементов в многослойном материале. В работе [6] было показано, что проходящая диффузия легирующих элементов имеет направленность в сторону выравнивания концентрации по всему объему получаемого многослойного материала, что приводит к усреднению химического состава материала. С использованием этих данных в более поздних работах [7,8] было показано, что при реализации технологического маршрута в многослойном материале происходит смещение положения критических точек и температурного  интервала прямого превращения в область низких температур.

Рисунок 4 – Схема технологического процесса прокатки

 

Таким образом, в процессе получения многослойного материала возможно снижение фактической температуры заготовки ниже критической точки прямого γ®α превращения. Применение же многократных подогревов, требующихся для поддержания заданной температуры прокатки, может приводить к термоциклированию в интервале температур превращения (рис. 4). В результате этого в многослойном материале будет наблюдаться многократная фазовая перекристаллизация, что ведет к нарушению формируемой ламинарной структуры материала, а, следовательно, и потере высокого комплекса механических свойств.

Список использованных источников

1.    Прокатка стального многослойного материала [Текст] / А.Г. Колесников, А.И. Плохих, А.С. Шинкарев, М.О. Миронова // Заготовительные производства в машиностроении. 2013.  №8. С. 39 – 43.

2.    Колесников, А.Г. Конструкционные металлические материалы с субмикро- и наноразмерной структурой [Текст] / А.Г. Колесников, А.И. Плохих // Вестник МГТУ им. Н.Э, Баумана. Специальный выпуск «Наноинженерия». 2010. С. 44-52.

3.    Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением [Текст]: учеб. пособие для вузов / Н.И. Яловой [и др.].  М.: Высшая школа, 1973. 631 с.

4.    Федюкин, В.К. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин [Текст] / В.К. Федюкин, М.Е. Смагоринский. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 255 с.

5.    Шинкарев, А.С. Разработка процесса прокатки многослойных стальных листов: автореф. дис. ...канд. техн. наук: 05.02.09 [Текст] / А.С. Шинкарев; МГТУ им. Н.Э. Баумана.  М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 16 с.

6.    Плохих, А.И. Исследование  влияния диффузионной  подвижности  легирующих  элементов  на  стабильность  структуры многослойных металлических материалов / А.И. Плохих, Д.В. Власова, О.М. Ховова, В.М. Полянский [Электронный ресурс] // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2011. №11. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/262116.html

7.    Исследование температурных интервалов фазовых превращений в многослойных металлических материалах [Текст] / А.И. Плохих, А.А. Минаков, П.П. Андреев, М.В. Щеголихин // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2015.   Т 160.  № 5. С.125–129.

8.  Плохих, А.И. Исследование влияния технологических факторов на стабильность структуры многослойных материалов конструкционного назначения [Текст] / А.И. Плохих, Минаков А.А. // Проблемы механики современных машин: Материалы VI Международной конференции. Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2015. Т. 1. С. 305– 310.