Биметаллические композиционные материалы, применяемые в машиностроении
Двухслойные и многослойные металлы
Многие свойства, в первую очередь механические, определяются всем сечением металла, поскольку, например, при растяжении одинаковую нагрузку несут поверхностные, а также внутренние слои металла. Но весьма часто работоспособность металлического изделия определяется сопротивлением тем или иным воздействиям лишь поверхностных слоев. Для повышения сопротивления усталости, износу, коррозии и другим видам постепенного разрушения широко используется поверхностная обработка, при которой изменяется строение и состав поверхностных слоев металла, до этой обработки однородные по всему сечению.
В отличие от этих видов поверхностного упрочнения двух- и многослойные металлы, часто называемые биметаллами, уже в исходном состоянии, т. е. в виде металлургического полуфабриката (листа, ленты, прутка, профиля) являются неоднородными, состоящими из двух или трех слоев различных металлов (рис. 5.1). На рис. 5.1, а показан монометалл, а на рис. 5.1,б и в — биметалл, основа которого защищена с одной (б) или двух (в) сторон.
Рис. 5.1. Монометалл (а), двухслойный (б) и трехслойный (в) биметаллы
В биметалле плакирующий (защищающий) слой прочно соединен по всей поверхности соприкосновения, и биметалл представляет собой монолитное целое.
Биметаллы получают или заливкой, или сборкой в пакет, а потом совместной пластической деформацией, при которой поверхностный слой приваривается к основе.
Примером биметалла является плакированный дюралюминий, где для повышения сопротивления коррозии плакирующий слой является чистым алюминием, а основа — дюралюминием.
Однако широкое применение получили биметаллы из существенно различных материалов. Так, например, чаще всего основой является углеродистая или низколегированная сталь, а плакирующим слоем нержавеющая сталь (Х18Н10Т, Х17Н13М2Т, Х23Н28М3Д3Т и т. д.), никель, монель-металл (марки НМЖМц-28-2,5-1,5)—это так называемый коррозионностойкий биметалл или твердая инструментальная стиль (Х6Ф1) что износостойкий биметалл. Изготавливают также биметаллическую стальную проволоку с медным или алюминиевым покрытием.
Главное преимущество биметалла — это его меньшая стоимость по сравнению с таким же монометаллическим изделием, сделанным только из одного плакирующего слоя, поскольку плакирующий слой является обычно дорогой нержавеющей сталью пли дорогим цветным металлом, а основа — дешевой простой сталью.
Таким образом, важное значение имеет соотношение слоев. Обычно толщина плакирующего слоя составляет 10—20% от общей толщины, но не менее 1,5—2 мм. Отсюда следует, что для листов с толщиной менее 5—10 мм применение биметаллических листов менее целесообразно, поскольку экономия в расходе дорогого материала не компенсирует затрат на более сложную технологию.
При горячей прокатке биметалла плакирующий слой приваривают по всей поверхности к основе, взаимно заполняя неровности поверхности, что особенно хорошо достигается, если плакирующий слой «приклеивается» к основе перед горячей прокаткой взрывом.
Качество сцепления плакирующего слоя с основой определяется испытанием на срез; сопротивление на срез вдоль поверхности раздела слой — основа должен быть не ниже сопротивления срезу более «слабого» слоя.
Для производства и эксплуатации (высокотемпературной) биметаллов важен факт перераспределения элементов между слоем и основой, так как их химический состав, как правило, весьма различен.
Применение биметаллов в химическом машиностроении, сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях техники — эффективный способ не только экономии дорогих материалов, но и повышения долговечности отдельных деталей. В результате производства и применения биметаллов возникло ряд специфических металловедческих вопросов, которые коротко можно охарактеризовать как совместимость разных материалов.