Биметаллические заготовки: методы производства и применение

[Liza]

Биметаллические заготовки — это композитные материалы, состоящие из двух или трёх слоёв разных металлов или сплавов. Они позволяют получить уникальное сочетание свойств: прочность одного металла с коррозионной стойкостью другого, высокую твёрдость с пластичностью, или теплопроводность с защитой от окисления. Такие материалы широко используются в нефтегазовой, атомной, судостроительной и машиностроительной промышленности.

Проблема создания качественного биметалла заключается в том, чтобы обеспечить прочное соединение слоёв без изменения их исходных свойств. Каждый метод производства имеет свои ограничения и возможности. Понимание этих технологий помогает выбрать оптимальное решение для конкретного применения и избежать дорогостоящих ошибок на производстве.

Сварка взрывом: самый универсальный метод

Сварка взрывом — это технология, которая позволяет соединять практически любые металлы и сплавы, даже те, которые сложно сваривать традиционными способами. Суть процесса проста: взрывчатое вещество инициирует ударное воздействие на один из слоёв, заставляя его с огромной скоростью «наезжать» на второй слой под углом.

В точке контакта давление достигает 3000–5000 МПа — это давление в 30–50 тысяч раз выше атмосферного. Впереди движущегося слоя образуется область сжатого газа, которая очищает свариваемые поверхности от окислов и загрязнений. Чистые, активированные поверхности прижимаются с такой силой, что между ними возникают межатомные связи. Результат — соединение, прочность которого не ниже прочности наиболее слабого металла в паре.

Эта технология особенно ценна при работе с титаном и его сплавами. Титан легко образует хрупкие интерметаллидные соединения с большинством металлов при других видах сварки, а взрыв исключает образование таких соединений благодаря кратковременности процесса.

Преимущества сварки взрывом:

• Возможность соединения практически любых комбинаций металлов и сплавов
• Стоимость производства слабо зависит от марки биметалла и объёма партии
• Толщина основного слоя: от 6 до 500 мм, плакирующего слоя: от 1 до 25 мм
• Производство круглогодичное и не зависит от сезона
• Возможность создания двух- и трёхслойных заготовок
• Получение листов и прутков больших размеров (до 2700 × 2900 мм и более)

Ограничение: требуется специализированное оборудование и площадка для проведения взрывных работ. На 2017 год в Подмосковье действовало производство мощностью до 3000 тонн биметалла в год.

Центробежное литьё: для полых заготовок и труб

Центробежное литьё используется, когда нужны полые цилиндрические биметаллические заготовки и трубы. Жидкий металл одного слоя заливают в быстро вращающуюся форму, затем заливают или прокатывают второй слой. Центробежная сила прижимает расплав к стенкам формы, обеспечивая плотное соединение.

Такие заготовки часто дальше подвергают пилигримовой прокатке — специальному методу, при котором труба прокатывается в несколько проходов на станах с обжатиями по диаметру от 100 до 180 мм. Перед прокаткой заготовки нагревают до температуры пластичности 1180–1240 °C.

Основное применение — производство передельных заготовок для механической обработки и порезки на отдельные детали. Качество соединения контролируется на разных этапах производства.

Характеристики центробежно-литых заготовок:

• Трёхслойная структура: твёрдый внутренний слой (60% от толщины), пластичный внешний слой из углеродистой стали (40–50% от толщины)
• Применяется углеродистая и низколегированная сталь
• Заготовки нагревают до 1220–1240 °C перед прокаткой
• Толщина пластичных слоёв увеличивается с учётом угара при нагреве
• Возможность производства заготовок различных диаметров и длин

Электрошлаковое переплавление: для высокого качества

Электрошлаковое переплавление — метод, который обеспечивает чистоту материала и однородность структуры. Процесс происходит в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе: электродный материал плавится в шлаковой ванне, и металл медленно кристаллизуется, образуя плотный слиток.

Когда нужно получить биметалл этим методом, один слой служит электродом, а другой — «подложкой». Технология требует точного контроля температуры, скорости плавления и состава шлака, но гарантирует отсутствие газовых пор и минимум загрязнений.

Где применяется электрошлаковое переплавление:

• Производство биметаллических заготовок из сталей и сплавов
• Когда требуется высочайшая чистота материала
• Для деталей, работающих при высоких температурах и давлениях
• В критичных приложениях (атомная энергетика, авиация)

Производство биметаллических радиаторов: специальный подход

Радиаторы отопления — один из самых известных примеров биметаллических изделий для массового потребителя. Их производство имеет свою специфику: нужно соединить стальной сердечник (по которому циркулирует теплоноситель) с алюминиевой оболочкой (которая быстро отдаёт тепло).

Процесс идёт в два этапа. Сначала изготавливают стальной коллектор — цельносварный, без трещин, иначе вода или антифриз просочатся на алюминиевую рубашку и вызовут коррозию. Затем стальной коллектор заливают расплавленным алюминием и кремнием под высоким давлением. Давление прижимает алюминий к стали, обеспечивая их сцепление.

После охлаждения заготовку извлекают, проводят окончательную обработку, скручивают в нужную секционность, приваривают горлышко. Каждую секцию тестируют на герметичность. Затем радиатор протравливают антикоррозийными составами и покрывают порошковой эпоксидно-полимерной эмалью в два этапа: сначала анафорезная покраска, потом порошковая эмаль.

Важный момент: у каждого производителя есть свои наработки и нюансы. Качество сильно зависит от типа сплавов, скорости остывания при литье, скорости заливки формы и степени усадки сплава. Одной единой технологии не существует — это и объясняет разницу в качестве между брендами.

Применение биметаллических материалов в промышленности

Биметаллические заготовки находят применение там, где нужна комбинация несовместимых свойств в одном материале.

Нефтегазовая промышленность:

• Трубопроводы, работающие в агрессивных средах
• Компоненты скважинного оборудования
• Арматура, контактирующая с коррозионными флюидами

Атомная энергетика:

• Оборудование, работающее при высоких температурах
• Детали, требующие высокой чистоты материала
• Конструкции с особыми требованиями к надёжности

Судостроение:

• Корпусные конструкции
• Арматура и трубопроводы
• Детали, подверженные коррозии морской водой

Машиностроение и энергетика:

• Теплообменники и радиаторы
• Лопатки турбин (сталь + титан)
• Компрессорные и насосные системы

Электролизное производство:

• Токоподводы электролизеров из композиции медь М1 + титан ВТ1-0
• Электроды и контакты в различных установках

Выбор технологии: от задачи к методу

Каждая технология производства биметалла имеет свою нишу. Сварка взрывом — универсальный выбор, когда нужна любая комбинация металлов и большие размеры. Центробежное литьё подходит для полых цилиндрических заготовок и труб. Электрошлаковое переплавление выбирают, когда критична чистота и однородность.

На практике многие крупные производители используют не один, а несколько методов в зависимости от конкретного заказа. Качество биметалла оценивается по прочности соединения слоёв — она должна быть не ниже прочности более слабого из двух металлов. Для сварки взрывом прочность соединения колеблется в диапазоне 160–350 МПа в зависимости от комбинации материалов.

Важно помнить, что производство биметалла — это не просто соединение двух кусков металла. Это инженерная задача, где каждый градус температуры, каждый миллиметр толщины, каждая доля секунды процесса влияют на свойства финального изделия. Именно поэтому выбор подрядчика и понимание его технологических возможностей — половина успеха проекта.

Техника и экономика производства

Производство биметаллических материалов требует специализированного оборудования и высокой квалификации персонала. Но инвестиции оправдываются: стоимость продукции порой на 30–50% ниже, чем если бы заказать детали из дорогого монолитного материала.

Примеры реальных проектов показывают, что применение биметалла сталь + титан даёт резкое снижение стоимости при повышении технологичности. Это особенно актуально в авиастроении, где титан дорог, но его коррозионная стойкость критична. А в теплоэнергетике биметаллические радиаторы давно вытеснили чугун и алюминий благодаря надёжности и долговечности.

Кроме того, развитие технологий идёт в сторону расширения диапазонов толщин и размеров, что позволяет решать всё более амбициозные задачи. Новые методы, как сварка взрывом в среде защитных газов, открывают возможности для материалов, которые ранее считались несваривающимися. Это означает, что в ближайшие годы биметаллические заготовки будут встречаться во всё новых и новых отраслях промышленности.