Биметаллы

БиметаллыБИМЕТАЛЛЫ, двух- или трехслойная комбинация двух различных металлов или сплавов, прочно соединенных между собой. В связи с этим различают: 1) биметалл, наружный слой которого имеет целью защитить внутренний от коррозии; 2) биметалл, наружный слой которого наносится для сообщения внутреннему слою иных физических и прочих свойств, и 3) биметалл, изготовляемый исключительно с целью использовать разницу в коэффициенте расширения составных слоев при нагревании, т. н. термический биметалл. В Европе и США термин «биметалл» относится лишь к 3-му термическому биметаллу, а 1-й и 2-й биметаллы носят название плакированного металла. Соединить прочно два слоя металла между собой можно путем заклепок, припоя, сварки, погружением в расплавленный металл (оцинкование, лужение), цементацией (цинковой пылью - шерардизация, алюминием - алитирование), пульверизацией расплавленным металлом (шоопирование), механическим натиранием, заливкой жидкого металла вокруг основного металла с последующей прокаткой, проковкой или волочением полученной заготовки, непосредственной прокаткой двух слоев различных металлов, находящихся в соприкосновении, электролитическим осаждением одного металла на другой с последующей термической обработкой или без нее. Поэтому широкое толкование термина «биметалл» влечет за собой ряд неудобств, а поэтому в настоящее время практически к биметаллам относят лишь металлы, представляющие собой комбинации двух металлов или сплавов, полученных путем прокатки и электролитического осаждения. К наиболее старым и давно известным биметаллам следует отнести свинец, плакированный оловом, и медь, плакированную тонким слоем серебра или золота.

Для получения листов свинца, плакированного оловом, небольшой слиток свинца (весом около 8 кг) обкладывается с обеих сторон листами олова (толщиной 0,22 мм) и в подогретом до 70—100°С состоянии подвергается прокатке. Под давлением валков при прокатке происходит приварка слоя олова к свинцу, причем эта приварка настолько прочна, что при дальнейшей штамповке изделий из этих листов отслаивания олова от свинца не происходит. Биметаллы медь—благородные металлы, получаемые путем прокатки, употребляются издавна на штамповку всякого рода заготовок для ювелирных изделий, пуговиц и пр. В настоящее время в СССР значительная часть биметаллов изготовляется в целях замены дефицитного и дорогого металла. Главнейшими биметаллами, изготовляемыми за границей и в СССР, в которых сердцевиной служит мягкая сталь, являются следующие. 1. Мягкая сталь, покрытая чистым никелем с одной или двух сторон (Ni от 2,5 до 10% от общего веса). Из этого биметалла в Европе и США изготовляется посуда, столовые принадлежности и ряд мелких и крупных штампованных изделий. 2. Мягкая сталь, покрытая медно-никелевыми сплавами (монель-металлом, купроникелем, содержащим 25% никеля, и мельхиором с 15 и 20% Ni). Вес плакирующего слоя составляет 5—10%. Области применения данного биметалла почти те же, что и предыдущего. 3. Мягкая сталь, покрытая медью (5—50%). Стальные листы и ленты покрываются слоем меди (5—10%) и находят применение в автотракторной, шелковой, бумажной, спиртоводочной, анилиновой промышленности и гл. образом в электропромышленности. Кроме того, из них готовят изделия широкого потребления. Биметаллическая проволока (меди 33—50%) применяется в качестве проводов для высокочастотных (до 40000 Hz) воздушных линий связи. 4. Мягкая сталь, покрытая медно-цинковыми сплавами (5—10%), например, томпаком (до 90±1% (Сu и латунью (67 — 70% Сu), в виде листов и лент находит применение в электротехнике, автотракторной промышленности, в физической, лабораторной и медицинской аппаратуре, оптико-механической и музыкальной промышленности, в производстве различного рода мелких, предметов галантереи, скобяных изделий, посуды, для военно-амуниционного снаряжения, охотничьих принадлежностей и спортинвентаря. Проволока из этого биметалла употребляется для механической обуви. 5. Мягкая сталь, покрытая алюминием (10—20%), известна под названием «ферран». В Европе и СССР из феррана изготовляются изделия широкого потребления. В целях предохранения от коррозии стали в последнее время начал применяться биметалл мягкая сталь—нержавеющая сталь и мягкая сталь—сталь фуродит. Сталь фуродит, полученная на советских заводах, содержит 0,23—0,33% С, 0,4—0,6% Мn, 0,5—0,7% Si, 25—28% Сг и 0,5% Ni и обладает чрезвычайной стойкостью против воздействия всякого рода кислот, смесей соков и экстрактов. Листы из этого биметалла, получаемые путем прокатки, могут иметь широкое применение в деталях машин и аппаратов, применяемых в консервной, плодоовощной, рыбной, мясной и других промышленностях. В целях предохранения от коррозии дуралюмина и других легких сплавов алюминия чрезвычайно широкое применение получили биметаллы: 1) альклед (дуралюмин, плакированный чистым алюминием), 2) дуральплат [дуралюмин, плакированный легким сплавом алюминия с магнием (0,2—2%) и небольшим количеством Мn], 3) аллауталь (сплав алюминия с 4% Сu, 2% Si и обычной для алюминия примесью Fe, плакированный чистым алюминием) и др. Из биметаллов, изготовляемых из цветных металлов, можно отметить «купал»—медь, покрытую алюминием. Проволока из этого биметалла при помощи анодной оксидации получает поверхностный слой, обладающий высоким электросопротивлением (устраняется в отдельных случаях изоляция). Очень часто проволоку из купала не подвергают анодной оксидации и изготовляют из нее провода и шнуры с резиновой изоляцией, при этом избегается предварительное покрытие медной проволоки чистым оловом или сплавом олова со свинцом, что значительно упрощает производство и устраняет лудильные цеха.

Особую группу биметаллов представляет собой термический биметалл в виде двух металлических пластинок равной длины; одна из них изготовляется из металла с большим коэффициентом теплового расширения, например, стали, сплава стали с 25% Ni и 5% Мо, никеля, монель-металла, константина, меди или томпака, а другая - из специального сплава - инвара, представляющего собой сталь с 36% Ni и при нагревании от 0 до 150°С обладающего наиболее низким коэффициентом теплового расширения из всех известных металлов и сплавов. Термический биметалл в СССР и за границей нашел широкое применение в конструкциях чрезвычайно дешевых и надежно действующих регуляторов температуры. Сконструированный лабораторией ВЭИ биметаллический регулятор для термостатов, инкубаторов и других аппаратов, нуждающихся в точной регулировке температуры при испытаниях, работал с точностью в ±1,5%. Из термических биметаллов готовятся сигнализаторы перегрева подшипников и сигнализаторы перегрузки электромоторов. Применяются также биметаллы для термических реле, для автоматического пуска моторов и пр.

За границей массовое производство биметалла началось до мировой войны. В США и Германии производство биметалла достигает значительных размеров; так, в 1928 г. фирмой Copper Weld Steel Company в Глезпорте (Пенсильвания) был выстроен самостоятельный завод с годовой производительностью путем прокатки и волочения около 11,5 тыс. тонн биметаллической проволоки мягкая сталь—медь. В ряде других стран Европы биметалл производится в незначительном количестве. В значительном количестве ферран производится в Германии, а также в Швеции, Норвегии и Франции. Термический биметалл путем прокатки начал производиться в Германии и др. странах сравнительно недавно. Альклед начал производиться впервые в США.

Попытки изготовить биметалл у нас делались до войны 1914—18 гг., но не дали благоприятных результатов. Первые образцы советской биметаллической проволоки мягкая сталь—медь были даны заводом «Серп и молот» в Москве в конце 1928 г., а первая партия биметаллической проволоки диаметром в 4 мм была сдана в 1929 г. Первые попытки изготовить биметаллические трубы в СССР были сделаны на заводе им. Ворошилова в Ленинграде в 1929 г. К 1932 г. производство биметалла в СССР осуществлялось на заводах «Серп и молот» в Москве, Кольчугинском заводе, «Красный выборжец», заводе им. Ворошилова в Ленинграде и на других заводах. В 1930 г. началось производство алькледа на Кольчугинском заводе, а затем на других заводах, и в самое последнее время начали изготовлять опытные партии термического биметалла, биметалла мягкая сталь—сталь фурродит и купал. Что касается феррана, то первые удачные образцы его были получены в 1931 г. на Кольчугинском з-де, а затем и на з-де «Красный выборжец», но производство феррана до сих пор в СССР не может считаться налаженным. Главная масса биметалла производится заводами в виде проволоки мягкая сталь—медь и мягкая сталь—томпак. Остальные биметаллы производятся у нас в небольших количествах. Весь биметалл у нас изготовляется т. н. термическим методом; между тем уже в 1930 г. стало известно, что в Германии проволоку мягкая сталь—медь производят гальваническим путем. В 1932 г. были поставлены опыты, в 1933 г. осуществлены опытные установки в Институте им. Карпова в Москве по получению биметаллической проволоки мягкая сталь—медь и в Гинцветмете - по получению биметаллических полос мягкая сталь—медь гальваническим путем с применением при электролите высоких плотностей тока порядка от 5 до 15000 А/м. В результате работ вышеуказанных институтов удалось получить на стали плотные, хорошо пристающие, не хрупкие, мелкокристаллические осаждения меди светло-розового цвета и тем самым разрешить проблему производства биметалла мягкая сталь — медь гальваническим путем. Одновременно с этим были поставлены успешные опыты по получению биметалла мягкая сталь—латунь не чисто гальваническим методом, а комбинированным, т. н. гальвано-термическим. Для получения биметалла из стали и латуни, содержащей 70% меди и 30% цинка, по этому методу на стальную проволоку или полосу осаждают сначала медь, а на слой меди затем наносят слой цинка. Затем проволоку или полосу подвергают нагреву, во время которого происходит взаимная диффузия меди и цинка и образование латуни. Состав латуни регулируется количеством осажденных меди и цинка. Слои латуни, полученные этим методом, отличаются хорошими механическими свойствами. Биметалл мягкая сталь—латунь, полученный гальвано-термическим способом, выдерживает глубокую штамповку. Биметалл мягкая сталь—томпак до сих пор возможно готовить лишь термическим путем.

Производство биметаллической проволоки мягкая сталь—медь. Метод изготовления биметаллической проволоки на заводе «Коппервельд стил компани» запатентован и нашим заводам в подробностях не известен. Имеются лишь сведения, что стальная заготовка предварительно травится, затем омедняется в растворе неизвестного состава, устанавливается в графитовый тигель и помещается на особой вагонетке в печь, где подвергается термической обработке в течение нескольких часов при температуре, близкой к температуре плавления меди в атмосфере естественного газа. После термической обработки в пространство между стенками нагретой изложницы и заготовки заливается расплавленная медь. После отвердевания меди заготовка, окруженная медью, вынимается, помещается в печь для подогрева, после чего прокатывается в горячем состоянии на стане для прокатки проволоки и наконец подвергается волочению в холодном достоянии.

В связи с неясностью технологического процесса, применявшегося на заводах в США, наши заводы «Серп и молот» и Кольчугинский выработали свои методы. В качестве сердечника для биметаллической проволоки на наших заводах употребляется заготовка из мартеновской стали. Для этой цели на заводе «Серп и молот» из мартеновской печи отливался слиток весом 0,65 т следующего химического состава: С ≤ 0,12%, Мn≤ 0,6%, Р ≤ 0,045%, S ≤ 0,045%. Отлитый слиток прокатывался в заготовку круглого сечения 82—85 мм и разрезался на стержни длиной 800 мм. Кольчугинский завод получает со стороны круглые стержни мартеновской стали 80—85 мм и длиной 770 мм. Овальность сечения стержня не должна превышать 2 мм. Перед заливкой цветным металлом поверхность стержней д. б. очищена от окалины, загрязнений и поверхностных шлаковых включений. Очистку производят травлением в 6—10 %-ном растворе серной кислоты, подогретом до 60°С, с прибавлением для уменьшения потерь стали при травлении специальных травильных присадок. По окончании травления удаляют с поверхности стержней черный налет отделившейся от железа окалины, а также смывают остатки кислоты горячей водой. Кроме того, стержни подвергают чистке кардными щетками или песком, после чего производят обдувку стержня сжатым воздухом. На заводе «Серп и молот» стальной стержень после удаления поверхностных загрязнений и окалины подвергался перед заливкой расплавленной медью омеднению с тем, чтобы до заливки предохранить поверхность стержня от окисления. После омеднения готовые сердечники вытирались тряпками досуха и перед заливкой подвергались нагреву в течение 1 часа до 300—400°С. За 2—3 мин. до заливки стержни вынимались из печи, очищались железными щетками от прилипшей к ним глины, песка и налета несгоревших частиц топлива и вставлялись в круглые изложницы с толщиной стенок 50 мм. Изложница перед заливкой нагревалась до 150°С и смазывалась керосином, смешанным с 2—3 % голландской сажи. На заводе им. С. Орджоникидзе в Кольчугине очищенные на кардных щетках до металлического блеска стальные стержни упаковываются в листы жести и подвергаются нагреву в течение 50 мин. до 650—700°С, при этом тщательно наблюдают за равномерностью прогрева стержня, чтобы жесть пакета не прогорела и стальной стержень не покрылся окалиной. После нагрева стержни по одному вынимаются из печи, освобождаются от упаковки, слегка протираются полукруглой кардной щеткой и устанавливаются в изложницу для заливки. Для заливки берут электролитическую медь марки М1 по ОСТ 308. Перед заливкой медь д. б. перегрета до 1200—1250°С и должна подвергнуться раскислению. Заливку металла в изложницу производят струей толщиной в 25—30 мм. Изучение строения биметаллической заготовки показало, что приварка меди к стали происходит только в тех местах, где падающая струя меди непосредственно касается стального стержня. Приварка меди к стали в остальных местах происходит в процессе прокатки в горячем состоянии. После окончания заливки, через 3—5 мин., производится раскрытие изложниц. Вес стали и меди в биметаллической заготовке приведен в табл. 1.

Вес стали и меди в биметаллической заготовке

После уничтожения дефектов заготовки последняя перед прокаткой нагревается в методической печи (в окислительной атмосфере) в течение 2—3 ч. до температуры 950°С. После того как заготовка равномерно прогрелась, при помощи клещей ее вынимают из печи и опускают на 5—7 сек. в бак с холодной водой. Цель означенной операции - несколько охладить слой меди. Прокатку биметаллической катанки ведут на обычных проволочно-прокатных станах. При прокатке биметаллической заготовки в прямоугольных и квадратных калибрах с большими обжатиями иногда происходит отслаивание меди от стального стержня (фиг. 1, где 1 - медь, 2 - сталь, 3 - пустоты).

Прокатка биметаллической заготовки в прямоугольных и квадратных калибрах с большими обжатиями

Поэтому на американских заводах для прокатки биметалла введена специальная калибровка. Опыт работы наших заводов указывает, что обжимные калибры диаметром до 20—25 мм предпочтительнее делать стрельчатыми, остальные калибры - по системе квадрат-овал. Что касается отделочной линии, то за исключением последних проходов калибры здесь также стрельчатые. Прокатку биметалла ведут весьма быстро с тем, чтобы заготовка не успела значительно охладиться и к концу прокатки температура металла не была ниже 600°С. Если температура конца прокатки будет чересчур низкой, биметаллическая катанка может начать рваться, и получается брак. В обжимной клети биметаллическая заготовка прокатывается в 11 проходов, в промежуточной - в 3 прохода и в отделочной - в 6—8. Вышедшая из последнего ручья катанка свертывается на мотовиле в бунты диаметром 500—600 мм. Полученная биметаллическая катанка диаметром 9,5 и 7 мм после предварительного травления поступает на волочение. По окончании травления катанка промывается холодной водой из брандспойта. После промывки катанка для нейтрализации остатков кислоты опускается в мыльную воду, содержащую до 1% мыла, подогретую до 70°С. Очищенная от окалины катанка поступает на волочение на однократных или многократных машинах. На Кольчугинском заводе биметаллическая катанка диаметром 7 мм протягивается без отжига на проволоку диаметром 4 мм на машине для пятикратного волочения по схеме: 7—6,10—4,45—4,0 мм. Отходы по операциям при производстве 4-мм биметаллической проволоки характеризуются следующими обычными минимальными и максимальными цифрами: отходы обжимного стана в виде чистой меди 4,8—5,7%, в виде биметалла 4,95—10,9%; отходы многократного волочения в виде биметалла 1,34—2,38%. Биметаллическая проволока диаметром 4 мм употребляется НКСвязью для замены бронзовой проволоки для телефонных проводов. Для получения тонких сортов биметаллической проволоки проволоку с диаметра 4 мм подвергают отжигу и после травления волочат на диаметр 1 мм на однократных и многократных машинах по следующей схеме: 4—3,5—3,0—2,6—2,3—2,0—1,75—1,55—1,40—1,25—1,15—1,0 мм. Проволока диаметром 1 мм применяется НКСвязью для городских телефонных сетей. Более тонкая биметаллическая проволока диаметром 0,5 мм идет на изготовление звонкового провода. Для этой цели проволоку диаметром 1 мм подвергают отжигу и протягивают на многократных алмазных машинах по схеме 1,0—0,95—0,88—0,82—0,78— 0,74—0,70—0,66—0,62—0,58—0,54—0,51 мм. Отжиг биметаллической проволоки диаметром 7—1,5 мм производится в муфельных печах при температуре 650—700°С в течение 1,5—2,0 ч. Начиная с диаметра 1,5 мм и ниже, биметаллическую проволоку лучше всего отжигать в печах для светлого отжига. На наших заводах отжиг ведут в нефтяных печах «Бетс и Пирд» с гидравлическим запором (фиг. 2, где 1 - бесконечная цепь, 2 - предохранительный клапан, 3 - термоэлемент, 4 - заслонка, 5 - вода, 6 - впуск пара) в течение 1,5—2 ч. при температуре 650—680°С.

Нефтяная печь «Бетс и Пирд» с гидравлическим запором

Тонкие сорта биметаллической стале-медной проволоки иногда при производстве проводов и кабелей с резиновой изоляцией подвергаются лужению. Готовая биметаллическая проволока подвергается наружному осмотру. Технические условия, которым должна отвечать биметаллическая проволока для воздушных линий связи, предусмотрены ОСТ 5152 согласно стандарту.

Биметаллическая проволока за последние годы в СССР получает все большее и большее распространение. В настоящее время имеется в эксплуатации ряд линий связи с биметаллическими проводами сталь—медь. Эти линии по данным Наркомсвязи служат исправно, и обрывы на линиях происходят весьма редко. Гальванический метод, разработанный Институтом им. Карпова, имеет целый ряд преимуществ перед термическим. При гальваническом методе отходы при производстве сводятся к минимуму, равномерность покрытия получается с точностью до сотых миллиметра, и в то же время достигается значительная экономия меди. Технологический процесс производства биметаллической проволоки сталь—медь гальваническим путем состоит из двух основных стадий: 1) подготовки проволоки перед покрытием и 2) процесса покрытия. Подготовка к покрытию стальной светлотянутой на мыле проволоки с чистой неокисленной поверхностью разделяется на три операции: а) электролитическое обезжиривание, б) электролитическое травление и в) очистка песком. Обезжиривание стальной проволоки производится в ванне следующего состава: соды (Na2CO3) 128,3 г, фосфорнокислого натра (Na34) 128,3 г, едкого натра (NaOH) 54 г и воды 1 л. Температура электролита 80°С. Плотность тока 600 А /м2, напряжение 2,2 V. Продолжительность обезжиривания 6—15 сек. в зависимости от загрязнения проволоки. После обезжиривания проволока промывается в течение 4—6 сек. в проточной воде. Затем проволока подвергается травлению. Ванна для электролитического анодного травления состоит из сернокислого железа (2N) 303,8 г, сернокислого магния (0,5 N) 60,2 г и 1 л воды. Условия работы травильной ванны: плотность тока на аноде Dа = 10000—12000 А/м2, плотность тока на катоде Dk = 100—120 А/м2; напряжение тока при расстоянии катода от анода 50 мм равно 10— 11 V; температура ванны 25°С, причем концентрация ионов Fe˙˙ д. б. не ниже 1,8—2 и кислотность не выше pH = 2. После травления проволока подвергается тщательной промывке, а затем протягивается через ванну, наполненную смоченным водой песком. После очистки песком проволока еще раз промывается и затем поступает для нанесения на нее подкладочного слоя никеля толщиной 0,0007 мм и тоньше. Ванна для нанесения никелевого подслоя состоит из сернокислого никеля (2N) 309,5 г, борной кислоты - 20 г, сернокислого магния (0,5N) 60,2 г. Кислотность ванны pH = 5,8. Интервал катодной плотности тока для стационарной ванны Dk = 200—1500 А/м2. Напряжение при расстоянии катода от анода 5 см 2,8 V. Время выдержки при Dk = 200 А /м2 д. б. минимум 5 сек. и максимум 5—7 мин. После никелирования проволока перед омеднением промывается в проточной воде в течение 5—6 сек. Омеднение проволоки производится в кислой ванне, так как последняя имеет ряд преимуществ перед щелочной. Ванна для омеднения состоит из медного купороса (3N) 375 г, серной кислоты (0,5N) 50 г и 1 л воды. Электролит д. б. нагрет до 45—50°С. Расстояние между катодом и анодом 50 мм. Пределы плотностей тока на катоде при указанной температуре электролита колеблются от 5000 А/м2 для проволоки диаметром 6 мм и до 10000 А/м2 для проволоки диаметром 1 мм. Так, для проволоки диаметром 4 мм можно применять Dk = 6000 А/м2 при напряжении 4,8 V, а для проволоки диаметром 3 мм Dk = 7000 А/м2 и напряжение 5,6 V. При омеднении проволоки необходимо перемешивание электролита циркуляцией его и при помощи воздуха. После покрытия медью проволока промывается в горячей проточной воде, затем проходит через сушилку для просушки и наконец сматывается в мотки, откуда отправляется на склад готовой продукции. На фиг. 3 изображена конвейерная установка для омеднения проволоки, где А - крытый двор, Б - склад сырья, В - фильтровочное отделение, Г - генераторная станция, Д - машинное отделение, Е - склад готовых изделий, 1 - разматывающие фигурки, 2 - натяжное приспособление, 3 - обезжиривающая ванна, 4 - ванна для промывки холодной водой, 5 - травильная ванна, 6 - песочно-промывная ванна, 7 - никелевая ванна, 8 - ванна для промывки холодной водой, 9 - ванна для омеднения, 10 - ванна для промывки горячей водой, 11 - сушилка, 12 - наматывающие механизмы, 13 - напорный чан для омеднения, 14 - то же для обезжиривания, 15 - то же для травления, 16 - то же для никелирования, 17 - то же для горячей промывки, 18 - сточный чан для омеднения, 19 - фильтровочный чан для омеднения, 20 - сточный чан для обезжиривания, 21 - фильтровочный чан для обезжиривания, 22 - канализационный канал, 23 - кабельный коридор, 24 - вентиляционный канал.

Конвейерная установка для омеднения проволоки

Каждый конвейер пропускает одновременно16 проволок. Общая длина конвейера около 58 м. На каждом конвейере проволока пропускается через все расположенные друг за другом ванны без перегибов. Для этой цели сделана особая конструкция ванн, заключающаяся в том, что все ванны за исключением промывных имеют двойные борта (фиг. 4, где 1 - корпус ванны, 2 -ртутная коробка, 3 - проходной глазок, 4 - нажимной ролик). Скорость прохождения проволоки по конвейеру колеблется от 4,5 м/мин для проволоки диаметром 1 мм до 0,92 м/мин для проволоки диаметром 4 мм. Производительность 1 конвейера при 16 нитках и отложении 338 кг меди для получения 1 т биметаллической проволоки по подсчетам составляет для проволоки диаметром 4 мм - 715 т в год, а для проволоки диаметром 1 мм - 218 т в год.

Особая конструкция ванн, заключающаяся в том, что все ванны за исключением промывных имеют двойные борта

Биметаллическая проволока сталь—латунь в настоящее время в СССР готовится на Кольчугинском заводе термическим путем. В смысле устойчивости против коррозии она не уступает оригинальной медной и латунной проволоке. Обладая повышенной механической прочностью, биметаллическая проволока сталь—латунь начала применяться для стержней обычных конторских счетов, сапожной винтовой проволоки и в таких ответственных местах, как обвязка лопаток паровых турбин. Биметаллическая проволока сталь—латунь готовится с толщиной покрытия не менее 40%, причем в этом случае достигается экономия в 319 кг меди и в 190 кг цинка на каждую замененную биметаллом тонну латунной проволоки. Для производства биметаллической проволоки сталь—латунь употребляются два сплава: Л62, содержащий 62% меди, и реже Л68, содержащий 68% меди. Технические условия на сталь для стержней остаются те же, что и при производстве проволоки сталь— медь. Метод производства за исключением температуры заливки жидкого металла и температуры прокатки, характерных для Л62, ничем от вышеописанного термического способа биметаллической проволоки сталь—медь не отличается. Что касается гальвано-термического способа производства биметаллической проволоки, а равно производства биметаллической проволоки из купала и других биметаллов, то таковые из стадии лабораторных опытов до сих пор еще не вышли.

Производство листов и лент из биметалла сталь—медь и сталь—медно-цинковые сплавы. Листы и ленты из биметалла сталь—медь и сталь—медно-цинковые сплавы изготовляются для замены листов и лент из меди и латуни. Здесь различают биметаллы обычного назначения, идущие для изготовления торговой продукции, и биметаллы, идущие для специальных целей, т. н. осназы. Исходным материалом для биметаллических листов и лент обычно служит малоуглеродистая сталь, которая поступает на заводы, производящие биметалл в виде широкополосной стали толщиной 20—82,0 мм, нарезанной на плиты длиной 850—600 мм. Мягкая сталь на наши заводы поступает с Нижне-Сергиевского и Алапаевского заводов, расположенных на Урале. В некоторых случаях для биметаллических листов обычного назначения может употребляться и сталь южных заводов. Временное сопротивление на разрыв этой стали 30—37 кг/мм2, удлинение - не менее 26%. В отношении химического состава сталь должна удовлетворять следующим нормам:

В отношении химического состава сталь должна удовлетворять следующим нормам

Для заводов Юга содержание серы допускается до 0,05%. Хром и медь допускаются постольку, поскольку таковые содержатся в сырье; подшихтовывать их запрещается. Для глубокой штамповки следует брать сталь с возможно малым содержанием углерода. Идеальным для этой цели было бы использовать сталь «Армко», обладающую большей электропроводностью, огнестойкостью и стойкостью против коррозии, чем обычная сталь. Для неглубокой штамповки, загибки, фальцовки и пр. сталь может содержать углерода до 0,3%, серы и фосфора до 0,04%, хрома до 0,20% и меди до 0,3%. Для изготовления же пружинистого материала и для электротехнических целей содержание углерода в стали м. б. даже выше 0,3%. Сталь для плит должна содержать минимальное количество неметаллических включений, т. к. присутствие их способствует получению строчечной структуры и ведет к браку биметалла.

Процесс подготовки стальных пластин для плакировки является общим для всех биметаллических листов и лент, изготовляемых термическим методом. После прокатки полос стали и нарезки их на мерные плиты последние д. б. нормализованы при температуре 900°С, а затем протравлены до полного удаления окалины и обработаны на пескоструйном аппарате. После травления стальные плиты прополаскиваются в холодной воде, очищаются с помощью стальных кардных щеток под струей горячей воды от осевшего на поверхности черного шлама, протираются мелкими древесными опилками и высушиваются, после чего стальные плиты очищаются до металлического блеска на специальной машине с двумя цилиндрическими барабанами, обитыми стальной кардной щеткой. Плиты с очищенной поверхностью обертываются полосами цветного металла с обеих сторон. Для плакировки помимо меди употребляют томпак состава 90% меди и 10% цинка и латунь состава 70% меди и 30% цинка. Наиболее распространенной и вполне освоенной является плакировка томпаком. Полосы цветного металла, идущие на плакировку, не должны содержать вредных примесей, как например, сурьма, свинец, висмут и др., сверх обычно допускаемых. Они д. б. изготовлены из хорошо раскисленного сплава и не иметь газовых включений, которые ведут к образованию пузырей в плакирующем слое. Толщина полосы цветного металла должна соответствовать толщине стальной плиты и требуемой толщине изделия (толщина равна 1,1—1,7 мм при толщине покрытия в 5% с каждой стороны). Перед плакировкой полосы цветного металла д. б. хорошо протравлены и очищены. Пакетировка пластин состоит в обертывании их с обеих сторон в полосы цветного металла. Полоса цветного металла загибается с торца, и открытыми остаются только боковые стороны плиты. В целях предохранения боковых сторон плиты от окисления на них надеваются скобы (замки) а из тонкой жести (фиг. 5, где б - сталь, в - томпак).

В целях предохранения боковых сторон плиты от окисления на них надеваются скобы (замки) из тонкой жести

В Германии рекомендуют другой способ пакетировки: после обертки стальной пластины полосой из цветного металла весь пакет завертывается в тонкую жесть, а для того чтобы последняя в печи не сгорела, ее обмазывают известковой водой. Первый способ дает лучшие результаты. Готовые пакеты подвергаются перед прокаткой нагреву.

Порядок укладки биметаллических пакетов при нагреве перед прокаткой

Порядок укладки изображен на фиг. 6, где 1 - чугунные балки, 2 - пластины из алитированной стали, 3 - биметаллические пакеты, 4 - прутки алитированного железа. Нагрев пакетов в течение 1,5—2 ч. производится при плакировке медью до 850 и 860°С, томпаком до 830—850°С и латунью до 810—830°С. Прокатку пакетов биметалла целесообразнее всего вести на станах трио Лаута. На наших заводах прокатку биметаллических пакетов ведут: на станах дуо с диаметром валков 620 мм длиной 1490 мм при 30 об/мин. со скоростью прокатки 1,0 м/сек, или на стане дуо с валками диаметром 700 мм, I = 900 мм и n = 36,5 об/мин. со скоростью прокатки 1,34 м/сек, или на стане трио с валками диаметром 520, l = 1000 мм и n = 82 об/мин. со скоростью 2,23 м/сек. На различных металлургических заводах существует несколько схем прокатки; как пример можно привести следующие схемы прокатки: 35—25,7—17,0—10,4—6,5—4,0 мм; 31,2—23,4—16,4—11,2—7,9—4,0. Прокатку необходимо вести чрезвычайно быстро в течение 30—49 сек., чтобы, начав прокатку с 860—810°С, закончить ее не ниже 740—760°С. Прокатку лент рекомендуется вести в направлении, перпендикулярном направлению прокатки стальной заготовки, из которой нарезана плита. После охлаждения прокатанные до толщины 4—5 мм полосы подаются на гильотинные ножницы для разрезки на необходимые размеры и прочистки концов, после чего подвергаются травлению в 5—10%-ном растворе H34, подогретом до 40—60°С, в который добавляются 10% (по объему) присадок от травильного раствора. После травления биметаллической заготовки промываются в воде и поступают на чистку кардными щетками и сушку в древесных опилках. Лучшие результаты получаются при пользовании чистильно-промывочно-сушильными машинами. Высушенные полосы затем поступают на сортировку. Признанные годными заготовки поступают на прокатку в холодном состоянии. Прокатка в холодном состоянии обычно ведется в направлении, перпендикулярном к направлению прокатки в горячем состоянии. Прокатку в холодном состоянии с 5 мм обычно ведут на стане дуо с валками диаметром 500 мм, I = 900 мм с числом оборотов n = 17, что дает скорость прокатки 0,44 м/сек. Прокатка 5—3,3 мм производится в 8 проходов по схеме 5—4,4—4,0—3,8—3,45—3,35—3,32—3,30 мм. Во время прокатки валки стана смазываются керосином или олеонафтом. После первой прокатки в холодном состоянии заготовки биметалла подвергаются отжигу при температуре, повышающейся до 730°С. На наших заводах отжиг производится в стальных герметически закрывающихся ящиках. Отжигом при указанной температуре достигается надлежащая структура стали, состоящая из феррита и зернистого перлита. Отжиг при температуре в ящиках ниже 630°С и выше 690°С дает пластинчатый перлит. Отожженные заготовки биметалла подвергают травлению, промывке и чистке вручную или на промывочно-сушильно-чистильных машинах. Очищенные заготовки далее поступают на прокатку в холодном состоянии с толщины 3,5 до 2,5 мм, затем повторяются те же операции отжига и очистки, как и после первого проката, а затем снова прокатка в холодном состоянии с обжатиями в 30—40% и отжигами.

Механические свойства биметаллических, латунных и из красной меди листов и лент приведены в табл. 2.

Механические свойства биметаллических, латунных и из красной меди листов и лент

Выход годного на наших заводах остается пока невысоким. Для биметалла сталь—томпак обычного назначения в среднем можно отметить следующие цифры (в %):

bimetally t2

Снятие цветного металла со стали помощью металлургического процесса отделения меди от стали в виду малого содержания меди в обрезках, большого угара меди и потерь железа экономически нерентабельно. С другой стороны, предложенные химические и электрохимические методы являются процессами сложными, длительными, дорогими и широкого распространения не получили.

Что касается стойкости против коррозии биметаллов сталь—медь и сталь—медно-цинковые сплавы, приготовленных по термическому методу, то по этому вопросу проделано чрезвычайно незначительное количество исследовательских работ. При исследовании пористости медного слоя биметалла, изготовленного термическим путем, пользуются реактивом Уокера следующего состава: красной кровяной соли - 0,16%, желатины - 16,66%, спирта - 16,66%, воды -  66,55% и серной кислоты - 0,008%. Образцы для усиления реакции между оголенным железом и красной кровяной солью предварительно нагреваются до 40—50°С, и реактив, подогретый до 100°С, в жидком состоянии наносится на их поверхность. Наличие пор определяется появлением на светлой прозрачной желатиновой пленке пятен турнбулевой сини. Испытание пористости медного слоя в 0,07—0,17 мм в листовом и ленточном биметалле сталь—медь, приготовленном термическим способом, с помощью реактива Уокера, показало, что слой меди на стали является беспористым. Из биметалла сталь—медь были взяты образцы для испытания на коррозию, и изготовлены котелки для варки пищи. В результате испытания образцов на коррозию удалось установить, что биметаллические изделия из стали, покрытой медью, с успехом могут заменить обычные медные изделия для приготовления пищи, так как такие реагенты, как 0,7%-ный раствор поваренной соли, 4%-ный раствор уксусной кислоты, 0,8%-ный раствор соды и невская вода из водопровода, значительного действия на посуду при испытаниях не произвели. Лишь 1%-ный раствор щавелевой кислоты оказал на них разрушительное действие.

Гальванический метод получения биметалла сталь—медь. При производстве биметалла сталь—медь электролитическим путем наблюдаются следующие преимущества по сравнению с термическим способом: отходы меди незначительны, процент брака от плохой приставаемости меди к стали ничтожен, имеется возможность регулировать толщину покрытия до десятых долей миллиметра, слой меди получается чрезвычайно чистым, слой цветного металла по всей поверхности листа и ленты получается более плотным. Цветной металл может наноситься как на отожженные стальные листы, так и на гартованные. В конечном итоге себестоимость электролитического метода покрытия значительно ниже термического. До 1938 г. электролитический метод для толстых покрытий в СССР не применялся. На опытной установке в Гинцветмете и стационарной заводской на Нытвинском заводе (пуск 1935 г.) подтверждено преимущество гальванического метода и необходимость перехода со стационарной на конвейерную установку работы. Технологический процесс производства листов сталь—медь на конвейерной установке следующий: листы стали толщиной 0,5—2 мм и размером 600—1500 мм с шероховатой и покрытой окалиной поверхностью подвергаются обезжириванию путем погружения в горячий раствор 10% NaOH, нагретый до 80°С. После обезжиривания листы промываются водой, нагретой до 60°С, а затем поступают на промывку холодной водой. Промытые листы поступают на травление 10%-ным раствором H24 с добавкой присадки. После травления листы промываются водой и для нейтрализации опускаются в ванну, наполненную 3%-ным раствором соды Na2CO3. После нейтрализации с поверхности листов механическими щетками удаляется черный налет от химического травления. Листы с чистой поверхностью для выявления на ней кристаллической структуры подвергаются подтравке в течение 1,5 мин. в растворе азотнокислого железа (FeNO8 - 1 кг на 1 л воды). Однако наравне с выявлением кристаллической структуры лист покрывается тонким желтым налетом. Для удаления этого налета листы подвергаются очистке мягкими щетками с водой и песком, после чего промываются в холодной проточной воде. Этими операциями заканчивается процесс подготовки листов к покрытию. Сам процесс покрытия распадается на 2 стадии: 1) нанесение на поверхность листов никелевого подслоя и 2) покрытие листов требуемым слоем меди. При никелевом подслое толщина никеля достаточна в 0,0002 мм. Для никелирования выбирается следующий состав электролита: 1) NiSО4 + 7Н2О (2N) 273 кг; 2) MgSО4 (0,5N) 60 г; 2) Н8ВО3 (2%) 20 г и 1 л воды; температура ванны 18—20°С; плотность тока 200 А/м2; напряжение 2,8 V. Электролит д. б. отфильтрован, поэтому в автомате для омеднения листов д. б. установлена система циркуляции электролита, что дает возможность производить фильтрацию электролита вне ванны. Аноды в ванне д. б. никелевые. После никелирования листы промываются и попадают в ванну с кислым медным электролитом следующего состава: CuSО4(3N) 375 г; H24 (0,5N) 50 г и 1 л воды; температура ванны 45°С, плотность тока для листов 900 А/м2 при 6 V напряжения, причем считается, что все потери устранены. Практически это достигается установкой генераторов до 10 V напряжения. Во время процесса электролиза д. б. интенсивное воздушное перемешивание электролита, причем для более эффективного его использования оно д. б. направлено на катод. Электролит должен непрерывно циркулировать и одновременно непрерывно отфильтровываться. После покрытия медью листы промываются в горячей воде и сушатся в сушилке, после чего направляются в склад готовых изделий.

Производство биметаллических листов сталь никель и сталь—медно-никелевые сплавы. Эти биметаллы до сих пор готовились термическим способом. Процесс подготовки стальной пластины перед плакировкой и пакетировки такой же, как и при плакировке томпаком. Лишь температура нагрева пакетов перед прокаткой здесь повышается до 1000°С. При нагреве пакетов надо стремиться к тому, чтобы печные газы не содержали серы, и всячески предохранять никель и его сплавы от науглероживания. До последнего времени листы сталь—никель прокатывались сравнительно небольшого размера. В настоящее время за границей листы стали, плакированной никелем, прокатывают толщиной 5—25 мм, причем толщина плакирующего слоя колеблется от 0,5 до 25 мм. Размер листов достигает 3,7 х 12 м. При толщине 12,5 мм удалось получить круги с диаметром в 3,7 м. Плакированная никелем сталь обладает лучшими механическими свойствами, чем обычная. Так, сталь состава 0,2% С, 0,47% Мn, 0,018% Р, 0,040% S в листах толщиной 1,25 мм дала следующие результаты при растяжении, приведенные в табл. 3.

Механические свойства стали до и после плакировки

В СССР биметаллы сталь—никель и сталь—мельхиор производятся в незначительных количествах.

Производство листов и лент из феррана. Ферран, или фераль, представляет собой сталь, покрытую тонким слоем алюминия. Из ряда способов покрытия стали алюминием отметим два наиболее надежных: электролитическое алюминирование в расплавленном электролите АlСl3—NaCl при температуре 160—200°С и плотности тока 0,15 А/см2 и плакирование путем прокатки. Метод электролитического алюминирования был разработан в 1930 году химической лабораторией Всеукраинской академии наук под руководством акад. В. А. Плотникова. При электролитическом алюминировании при низких температурах и малой плотности тока удается нанести на сталь слой чистого рафинированного алюминия, обладающего исключительной стойкостью против коррозии. В качестве ванны для алюминирования В. А. Плотников применял стакан из неочищенного алюминия, который в то же время служил анодом. Электролит приготовлялся из хлористого алюминия и хлористого натрия (свободных от железа и других примесей) в молекулярном отношении 3:2 или 2:1. Получение химически чистого NaCl осуществлялось его перекристаллизацией. Предмет, подлежащий алюминированию, предварительно тщательно очищался от грязи и железа, чтобы при электролизе избежать получения неплотного слоя алюминия. Неровности на поверхности предметов не мешают алюминированию, поэтому нет надобности в предварительной их полировке. После обезжиривания для удаления следов окислов предмет подвергался травлению, промывался водой, высушивался и немедленно помещался в ванну для электролиза. Процесс алюминирования продолжался в течение 3—5 ч. Электролиз происходил спокойно, напряжение тока оставалось постоянным. При закрытой ванне летучести АlСl3 не наблюдалось. Опыт показал, что алюминий при электролизе заполняет все неровности шероховатых поверхностей и при последующей полировке дает ровную блестящую поверхность. Наибольшая толщина слоя 0,08 мм получалась при температуре 200°С и плотности тока на катоде 0,15 А/см2. При электролизе на поверхности соприкосновения стали с алюминием получается промежуточный слой твердого раствора алюминия в железе. Слой алюминия получается беспористым и при изгибе не отслаивается. Однако механические свойства слоя невысоки и при изгибе на угол в 45° он уже дает трещину. При испытаниях в парах воды и насыщенном растворе NaCl алюминированные образцы оказались более устойчивыми против коррозии, чем листовой прокатанный алюминий.

Метод покрытия стали алюминием помощью прокатки разработан на заводах «Красный выборжец» в Ленинграде и им. Серго Орджоникидзе в Кольчугине. Для плакировки идет алюминий марки Аl-1, содержащий около 99,5% Аl. Он прокатывается в листы и ленты толщиной 0,1—0,6 мм с применением промежуточных отжигов по нормальной схеме технологического процесса. Наиболее пригодным сортом стали для феррана являются мягкие сорта ее с минимальным содержанием углерода следующего состава (в %):

bimetally t3

Пластины стали должны иметь гладкую, беспористую, беспленистую и беспузыристую поверхность, не содержащую глубоко вкатанной окалины. Сталь толщиной 2—3 мм перед пакетировкой подвергается травке, чистке кардными щетками или пескоструйными аппаратами. Алюминий берется в виде отожженного листа такого размера, чтобы им можно было пакетировать стальную заготовку с одной или с обеих сторон. Толщина алюминиевого листа берется в зависимости от требуемого соотношения металлов по объему или весу, обычно 10—15% по объему. Алюминий предварительно травится путем погружения на 15—20 сек. в 10—12%-ный раствор едкого натра при температуре 60—70°С, а затем промывается и высушивается. После этого стальная заготовка обворачивается в лист алюминия несколько большего размера, причем края алюминия с одной или трех сторон загибаются на фальц. Для нагрева стале-алюминиевых пакетов применяются электропечи сопротивления или муфельные. Пакеты нагреваются в печи в течение 2—3 ч. до 420—450°С; равномерно прогретые пакеты вынимаются из печи и подаются быстро к прокатному стану. Первое обжатие дается порядка 5%, второе 15—20%; при таком обжатии происходит окончательная приварка алюминия к стали. Для прокатки феррана наиболее удобны обжатия, применяемые при прокатке стали в холодном состоянии. Механические свойства неотожженного прокатанного феррана R = 70—77 кг/мм2, i = 1%. Отжиг феррана является весьма трудной операцией. Полный отжиг алюминия происходит при 350—450°С. Самой низкой температурой начала рекристаллизации стали считают 500—550°С. Общее правило, что температура рекристаллизации тем ниже, чем больше наклеп, меньше размер зерен, чище металл и чем дольше металл нагревается. Температурные пределы отжига феррана 530—550°С, время, необходимое для полного отжига феррана, 5—8 ч. Следует отметить, что в выборе температуры и времени отжига большую роль играет состав плакируемой стали. При температуре 560—570°С начинается диффузия алюминия в железо, влекущая отслаивание покровного слоя при изгибе. Механические свойства феррана после правильного отжига довольно близки к таковым для чистой стали (R = 30—35 кг/см2 и i = 30%). Для получения чистой, красивой поверхности применяют холодную прокатку отожженных листов феррана на чистовых станах с небольшими обжатиями. В то время как ферран, полученный электролитическим путем, оказался беспористым и весьма устойчивым против коррозии, ферран, полученный с помощью прокатки, оказался пористым и легко корродирующим. Т. о. широкое применение феррана связано с усовершенствованием технологического процесса в целях получения менее пористого феррана. В настоящее время установлена возможность применения тонкой жести из феррана в консервной промышленности. Применение феррана для производства различного рода посуды, не требующей лужения, и для химического аппаратостроения даст экономию больших количеств алюминия, т. к. ферран на 80—90% состоит из стали. Однако следует отметить, что в проблеме замены белой жести ферраном решающее значение имеет стоимость обработки феррана, которая до сих пор остается чрезвычайно высокой и в силу этого делает нерентабельной таковую замену. Усовершенствование технологического процесса и снижение стоимости производства феррана несомненно сделают эту замену возможной.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.