Композиционная заготовка для горячей деформации

 

Изобретение относится к области защиты поверхности труднодеформируемых, высокореакционных металлов и сплавов перед горячей деформацией и может быть использовано для изготовления композиционных заготовок для горячей прокатки листов из титановых сплавов. Защитное многокомпонентное покрытие состоит из базового металлического материала со сквозной пористостью 8-23% и уплотняющих материалов в виде смеси тонкодисперсных порошков и химических реагентов. Покрытие уплотнено пластической деформацией. Степень обжатия 3-5%. Температура 500^oС. Изобретение позволяет получать заготовку с беспористым покрытием, высокую прочность сцепления с основным металлом. Обеспечивается универсальность свойств покрытия и расширяются технологические возможности заготовки. Снижается стоимость заготовки, повышается выход годного.

Изобретение относится к области защиты поверхности труднодеформируемых, высокореакционных металлов и сплавов перед горячей деформацией и может быть использовано для изготовления композиционных заготовок, например, для горячей прокатки тонких листов из титановых сплавов.

На поверхности заготовки из указанных материалов перед операцией горячей деформации наносят защитные покрытия, которые предотвращают газонасыщение, тепловые потери и улучшают пластифицирование приповерхностных слоев металла. Для реализации этих целей применяют керамические, металлические, солевые и др. защитные покрытия.

Известен способ защиты поверхности труднодеформируемых металлов с применением стеклокерамических покрытий (Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия, М., Машиностроение, 1981, с.139).

Применение стеклокерамических покрытий позволяет уменьшить величину газонасыщения и снизить величину коэффициента трения при деформации.

К недостаткам следует отнести низкую адгезию покрытия с основным металлом, ограниченную продолжительность нагрева, узкий температурный диапазон конкретной марки стеклоэмали, полный цикл операций подготовки поверхности и нанесения покрытия между переходами деформации, ограниченность применения.

Известны способы использования заготовок для горячей деформации с металлическими защитными и пластифицирующими покрытиями, в качестве которых используют никель (патент США 3339271), алюминий (патент США 2903785), титан (патент 2262540, Великобритания, публ. 1993 г.).

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является композиционный металл для горячей деформации, включающий основной металл из сплавов титана, склонных к хрупкому разрушению, и покрытие из слоя титана толщиной 0,25-1,27 мм (патент Великобритании 2282608, кл. С 23 С 4/08, C 22 F 1/18, публ. 1995 г.) - прототип.

Покрытие из порошка титана напыляют плазменным методом на поверхность заготовок из сплавов: Ti-5Al-2,5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-4V и т.п. Процесс деформации реализуют при температуре 815,6-1371,1^oС.

Основным достоинством прототипа является повышение обрабатываемости за счет образования в процессе нагрева заготовки перед деформацией пластифицирующего поверхностного слоя. Также образованное покрытие уменьшает тепловые потери и степень окисления поверхности заготовки, снижает усилие деформации при прокатке до 50%. Отмечено также улучшение качества поверхности после обработки, практическое отсутствие поверхностных трещин.

Общим недостатком заготовок с нанесенными на их поверхность защитными покрытиями из металлов является наличие сквозной пористости и, как правило, высокая стоимость. Величина сквозной пористости достигает 23%. Уменьшение пористости удорожает процесс нанесения покрытия.

Плазменное напыление защитного покрытия позволяет получить пористость менее 8%. Использование порошков металлов в качестве защитного покрытия удорожает процесс его нанесения еще больше. Порошки из титана пожароопасны, их использование требует соблюдения особых санитарно-гигиенических норм.

Заявленный в прототипе температурный интервал горячей деформации не позволяет получить идентичные свойства слоя покрытия, образованного при технологическом нагреве.

Процесс плазменного напыления низкотехнологичен, требует специальных устройств и приспособлений, применение которых в условиях металлургического производства не характерно. Распыление титановых порошков требует дополнительного применения защитного газа (аргона).

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение качества заготовки за счет снижения сквозной пористости защитного покрытия и расширение технологических возможностей заготовки при одновременном снижении ее стоимости, а также повышение выхода годного при использовании данной заготовки.

Поставленная задача решается тем, что в композиционной заготовке для горячей деформации, состоящей из основного металла из труднодеформируемого сплава на основе титана и защитного покрытия толщиной не менее 0,25 мм, согласно изобретению защитное покрытие выполнено многокомпонентным и состоит из базового металлического слоя с величиной сквозной пористости 8-23%, уплотняющих материалов в виде смеси тонкодисперсных порошков и химических реагентов, при этом защитное покрытие уплотнено пластической деформацией со степенью обжатий 3-5% при температуре 500^oС.

Базовый металлический слой покрытия обладает теплоизоляционными и газозащитными свойствами и при нагреве заготовки перед деформацией образует интерметаллидный защитный слой, а уплотняющие материалы заполняют поры металлического слоя покрытия и ускоряют процесс образования новых соединений типа оксидов, шпинелей, силикатов и т. п. , модифицирующих изоляционные свойства покрытия, которые снижают силы трения при деформации заготовки на границе: "деформируемый металл - инструмент".

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в возможности получения заготовки с беспористым покрытием с высокой прочностью сцепления с основным металлом (металлическая связь с последующей модификацией в диффузионную связь), что обеспечивает универсальность свойств покрытия и расширяет технологические возможности заготовки при снижении ее стоимости, а также повышается выход годного в процессе деформации данной заготовки. Композиционную заготовку с беспористым защитным покрытием получают посредством операций деформации с небольшими обжатиями и пропиткой уплотняющими реагентами, посредством чего уплотняют базовый слой покрытия и увеличивают количество центров рекристаллизации. Пропитка дополнительно увеличивает прочность сцепления за счет образования шпинелей, силикатов, проникающих в поры металлического слоя покрытия.

Величина сквозной пористости зависит от способа нанесения металлического покрытия. Выбран самый дешевый способ электродуговой металлизации. По его характеристикам величина пористости составляет 8-23%. Такое значение пористости позволяет химическим реагентам проникать практически на всю глубину покрытия, уплотняя слой покрытия, создавать центры рекристаллизации и ускорять процесс формирования заданных свойств покрытия.

Степень обжатия 3-5% при температуре 500^oС выбрана с целью локализации пластической деформации непосредственно в слое покрытия для его дополнительного уплотнения после пропитки химическими реагентами.

Размер фракции порошковых наполнителей (тонкодисперсные) выбран с учетом возможности проникания частиц сквозь поры покрытия.

Изменением материала базового слоя покрытия и уплотняющих реагентов, а также их сочетанием, изменяют свойства покрытия в широком диапазоне температур и режимов деформации (термодеформационных параметров), устанавливают требуемые теплоизоляционные, газозащитные и пластифицирующие свойства.

Материал базового слоя защитного покрытия композиционной заготовки (алюминий, титан, медь, цинк, никель и др.) образует с основным металлом заготовки при операции технологического нагрева диффузионное интерметаллидное покрытие, облегчающее процесс деформации и обладающее теплоизоляционными свойствами.

Уплотняющие материалы заполняют металлический слой покрытия и увеличивают скорость образования химических соединений (т.е. тонкодисперсные порошки и реагенты служат катализаторами). Соединения, препятствующие газонасыщению и тепловым потерям, создают использованием уплотняющих материалов в виде оксидов, боридов, нитридов, силицидов, карбидов и т.п. Условия трения при деформации изменяют применением окислов, хлоридов, фторидов щелочных металлов, тонкодисперсных металлических порошков, геля кремнезема и т.п.

Для изготовления предлагаемой композиционной заготовки для горячей деформации использовались самый дешевый процесс, оборудование и материалы. Нанесение базового металлического слоя покрытия выполняют методом электродугового напыления с использованием дешевых сортов проволоки. Пропитку базового слоя покрытия производят кистью или валиком. В качестве уплотняющих материалов используют, в том числе, и отходы производства.

Было проведено опытное опробование предлагаемой композиционной заготовки в лабораторных и производственных условиях.

Пример 1. В производственных условиях прокатного цеха предприятия-заявителя провели горячую прокатку композиционных заготовок (слябов) из сплавов титана марок Ti6A14V, Grade 5, TA6V, Вт14, Вт16, Вт23 и др. с технологическими нагревами в (α+β)- и β-областях. На поверхность заготовки нанесли базовый слой металлического покрытия с помощью электродугового металлизатора конструкции предприятия-заявителя. Материал покрытия - алюминий (99%), пористость покрытия 9-12%. В качестве носителя смазочного материала использовали воду.

Прокатка слябов проведена с толщины 240 до 20 мм с четырьмя технологическими нагревами в интервале температур 900-1150^oС. Поверхность заготовок в процессе деформаций не ремонтировали. Безвозвратные потери металла при деформации слябов без покрытия составляли до 12%. Применение предлагаемого покрытия позволило снизить уровень потерь до 2,0-5,5% за счет уменьшения величины газонасыщенного слоя с 0,3 до 0,05-0,02 мм. Почти полное отсутствие поверхностных трещин позволило уменьшить потери при шлифовании поверхности (глубина шлифовки уменьшилась с 0,5 до 0,15-0,25 мм). Зафиксировано повышение устойчивости прокатки (отсутствие проскальзывания) и снижение усилий деформации на 12-18%.

При изготовлении тонких листов (менее 2,5 мм) из высокопрочных сплавов титана известными методами полистной прокатки не получают требуемого уровня механических свойств.

Проведена горячая прокатка листов из сплава Ti6A14V с использованием защитного покрытия. На поверхность заготовки листа газотермическим методом нанесли слой алюминия (94%) толщиной 0,25 мм. В качестве уплотняющего материала применили водный раствор белой сажи (SiО₂•n•Н₂О). Покрытие просушили, затем заготовки подогрели до температуры 500^oС в течение 5 мин и выполнили операцию прогладки со степенью обжатий 3-5%.

В результате карточной прокатки получили листы толщиной 0,8-2,5 мм с требуемым уровнем механических свойств за счет хороших теплозащитных свойств покрытия.

Пример 2. Проведена горячая экструзия прутков и труб из сплавов титана Ti6A14V, Crade 9 с технологическими нагревами в (α+β)- и β-областях.

Основное внимание при подготовке заготовок к деформации уделяли изучению возможности снижения коэффициента трения до минимальных значений, устранению адгезии материала заготовки на поверхность инструмента и тем самым продлению срока службы матрицы и повышению качества поверхности изделия.

В качестве материала покрытия наилучшие показатели получили при использовании следующих составов: 1) базовый слой покрытия из алюминия (99%) пористостью 8-16% толщиной не менее 0,3 мм; уплотняющий материал - жидкое стекло; 2) базовый слой покрытия из меди (99%) пористостью 12-23%, толщиной не менее 0,3 мм; уплотняющий материал - жидкое стекло с порошковым медным наполнителем (фракцией менее 50 мкм).

По первому варианту получают теплостойкое покрытие с низким коэффициентом трения. По второму варианту покрытие более существенно улучшает условия трения, дополнительно создавая на рабочей поверхности инструмента слой меди.

Проведено прессование слитка диаметром 650 мм, длиной 690 мм из титанового сплава Ti6A14V на горизонтальном прессе усилием 12 тыс. т в пруток диаметром 250 мм при температуре деформации 1270^oС. При прессовании заготовки без покрытия матрицу после каждой прессовки снимали и очищали от налипших частиц металла заготовки. При использовании предлагаемой композиционной заготовки ремонт матрицы проводили после 4-12 прессовок. Кроме того, улучшение качества поверхности заготовок позволило повысить выход годного, вследствие уменьшения величины съема металла при механической обработке.

Проведено прессование трубной заготовки диаметром 90 мм, длиной 250 мм из сплава Ti6A14V на вертикальном прессе усилием 600 т. Ремонт матрицы при обработке заготовок без покрытия производили через 7-14 прессовок, при прессовании заготовок с покрытием - через 40-90 прессовок. Кроме того, выход годного повысился на величину до 17% за счет уменьшения величины съема металла при мехобработке с 0,5 до 0,25 мм.

Пример 3. Проведена операция горячей ковки слитков и прутков, а также штамповка изделий из сплавов титана (Ti6A14V, Ti10A12Fe3V).

При указанных операциях необходимо обеспечить высокую степень теплозащиты поверхности с целью уменьшения поверхностных дефектов (трещин), возникающих в результате захолаживания металла заготовки, и тем самым повысить выход годного. Также покрытие должно обеспечить требуемые процессом условия трения.

По результатам экспериментов в качестве материала покрытия были использованы: а) базовый слой покрытия из Аl (99%) толщиной более 0,3 мм; уплотняющий материал - шликер стеклоэмали ЭВТ 24; область температур деформации 815-1000^oС; б) базовый слой покрытия из Аl (99%) толщиной более 0,3 мм; уплотняющий материал - шликер ЭВТ 100; область температур деформации 1000-1300^oС; в) базовый слой покрытия из Аl (99%) толщиной более 0,5 мм, пористость 16-18%; уплотняющий материал - стеклоэмаль ЭВТ 100К; область температур деформации 950-1350^oС.

Проведена ковка слитка из сплава Ti6A14V с диаметра 750 мм на ⊘ʹ 250 мм. Количество поверхностных дефектов при использовании указанных покрытий существенно уменьшилось, выход годного вырос на 5-7%.

При штамповке фасонных изделий заготовок сплава Ti10A12Fe3V с использованием указанных защитных покрытий зафиксировали повышение качества поверхности, отсутствие поверхностных дефектов, связанных с забивкой гравюры штампа частицами окалины и стеклоэмали.

Предлагаемая композиционная заготовка может быть использована во всех процессах горячей деформации, т.к. нанесенное покрытие обладает высоким уровнем показателей качества и высокой степенью надежности, что позволяет использовать данную заготовку для нескольких циклов "нагрев-деформация", сократить затраты на вспомогательные операции и в результате - повысить выход годного.

Формула изобретения

Композиционная заготовка для горячей деформации, состоящая из основного металла из труднодеформируемого сплава на основе титана и защитного покрытия толщиной не менее 0,25 мм, отличающаяся тем, что защитное покрытие выполнено многокомпонентным и состоит из базового металлического слоя с величиной сквозной пористости 8-23%, уплотняющих материалов в виде смеси тонкодисперсных порошков и химических реагентов, при этом защитное покрытие уплотнено пластической деформацией со степенью обжатий 3-5% при температуре 500°С.