Способ изготовления слоистых изделий

 

Изобретение относится к производству композиционных материалов и может быть использовано при производстве слоистых изделий со стальным сердечником и оболочкой из различных металлов. Сущность изобретения: при обработке поверхности сердечника в электропроводящей среде к последней прикладывают импульсное напряжение положительной полярности с амплитудой импульсов 15- - 230 В. Такая обработка поверхности сердечника обеспечивает комплексную ее модификацию за счет высокоэффективного удаления поверхностных загрязнений вследствие эрозионного действия микродуговых разрядов и восстановления оксидных слоев активными ионами водорода, разряжающимися на катодно-поляризованном сердечнике, формирования в приповерхностных слоях сердечника мелкозернистой неравновесной структуры с повышенной энергией путем использования высоких температур в канале разрядов ( до 10 тыс. К ) для локального разогрева тонких поверхностных слоев металла сердечника и последующего интенсивного охлаждения их при контакте с жидкой фазой, а также за счет формирования развитого микрорельефа, характеризующегося большей опорной площадью поверхности, вследствие хаотически возникающих и гаснущих на поверхности сердечника микродуговых разрядов. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к производству композиционных материалов и может быть использовано при производстве слоистых изделий со стальным сердечником и замкнутой оболочкой из различных металлов, преимущественно цветных.

Известен способ производства композиционной проволоки с толстым покрытием, согласно которому металлическую проволоку сердечник разматывают и полируют ее поверхность специальным устройством, одновременно разматывают из рулона металлическую ленту, полируют поверхность ленты со стороны контактирования с сеpдечником, затем обрезают кромки ленты и формуют ее в трубную оболочку вокруг сердечника, после чего кромки сваривают, а полученную заготовку обжимают и наматывают на барабан [1] Недостатком известного способа является то, что полированные поверхности сердечника и ленты обладают низкой активностью вследствие неразвитого рельефа, образующегося при полировке. В связи с этим прочность соединения компонентов, которая при прочих равных условиях определяется активностью контактирующих поверхностей, оказывается очень низкой.

Наиболее близким является способ изготовления биметаллической проволоки, включающий обработку поверхности сердечника в жидкой электропроводящей среде, нанесение на него оболочки и последующее их совместное обжатие, при этом в качестве электропроводящей среды используют раствор кальцинированной соды с концентрацией 20-25 г/л при температуре раствора 60-65^оС [2] Недостатком известного способа является низкая прочность соединения компонентов изделия в результате образования на поверхности сердечника адсорбированной пленки из кальцинированной соды, которая снижает активность поверхности сердечника при последующем совместном обжатии его с оболочкой.

Задача изобретения-разработка способа изготовления слоистых изделий, в котором при подготовке поверхности сердечника обеспечивается его одновременная комплексная модификация, позволяющая повысить прочность соединения компонентов.

Задача решается тем, что в способе изготовления слоистых изделий, включающем обработку поверхности сердечника в жидкой электропроводящей среде, нанесение на него оболочки и последующее их совместное обжатие, согласно изобретению при обработке поверхности сердечника к жидкой электропроводящей среде прикладывают импульсное напряжение положительной полярности с амплитудой импульсов 150-230 В.

Обработка поверхности сердечника в жидкой электропроводящей среде, к которой прикладывают импульсное напряжение положительной полярности с амплитудой импульсов 150-230 В, обеспечивает одновременную комплексную модификацию поверхности сердечника за счет высокоэффективного удаления поверхностных загрязнений вследствие эрозионного действия разрядов и восстановления оксидных слоев до металла активными ионами водорода, разряжающимися на катодно поляризованном сердечнике; формирования в приповерхностных слоях стального сердечника мелкозернистой неравновесной структуры с повышенной энергией вследствие возникновения термических напряжений за счет значительного температурного градиента, вызванного высокими температурами в канале микродуговых разрядов, в также интенсивной кавитации жидкой среды на границе с сердечником и появляющихся при этом импульсов отдачи, приводящих к пластической деформации поверхностных слоев сердечника; формирование развитого микрорельефа, характеризующегося большой опорной площадью поверхности, вследствие хаотически возникающих и гаснущих на поверхности сердечника микродуговых разрядов.

Такая подготовка поверхности сердечника позволяет в процессе обжатия заготовки развивать процессы соединения оболочки с сердечником по максимально очищенной активированной поверхности с развитым микрорельефом, а полученная при этом мелкозернистая неравновесная структура приповерхностных слоев сердечника способствует интенсивному протеканию процессов диффузии на границе металлов, в результате чего в процессе обжатия формируется прочное соединение сердечника с оболочкой.

Кроме того, наложение на электропроводящую жидкую среду импульсного напряжения позволяет уменьшить потери напряжения в приэлектродных слоях жидкой среды за счет меньшего газонаполнения промежутка между сердечником и охватывающим его электродом, а также повысить плотность тока в импульсе, что позволяет интенсифицировать процессы коммутации тока на границе сердечника с жидкой средой и соответственно усилить эрозионное действие микродуговых разрядов на поверхность сердечника, обеспечивая тем самым наиболее эффективное удаление загрязнений, даже таких стойких, как оксидные слои, которые в наибольшей степени блокируют развитие соединения сердечника с оболочкой при совместном их обжатии.

На фиг. 1 изображена линия для изготовления слоистых изделий по предлагаемому способу; на фиг. 2 диаграмма изменения напряжения на электроде во времени, где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат амплитуда импульсов.

Способ изготовления слоистых изделий осуществляют в линии, где стальной сердечник 1 разматывают из бунта 2 и подают для правки в роликовое правильное устройство 3, а затем в установку 4 для обработки поверхности сердечника 1. Одновременно с этим подают металлическую ленту 5, например, медную с разматывателя 6 через направляющие ролики 7 и 8. Поверхность ленты 5 со стороны контактирования ее с поверхностью сердечника 1 очищают вращающейся металлической щеткой 9. В установке 4 для обработки поверхности стального сердечника 1 смонтирована замкнутая камера 10, внутри которой установлен полый перфорированный электрод 11, при этом сердечник 1 пропускают через электрод 11, а камеру 10 заполняют электропроводящей жидкой средой. В качестве электропроводящей жидкой среды может быть использован раствор кальцинированной соды, раствор поташа и другие известные электропроводящие среды. Электропроводящая жидкая среда, распределяясь внутри камеры 10, через отверстия 12 электрода 11 поступает к поверхности стального сердечника 1. К электроду 11 прикладывают напряжение положительной полярности с амплитудой импульсов 150-230 В от тиристорного импульсного источника 13. При этом общий провод 14 источника 13 заземляют на сердечник 1 через ролики 15 правильного устройства 3. Затем стальной сердечник 1 с обработанной поверхностью совместно с металлической лентой 5 подают в формующий блок 16, состоящий из ряда роликов 17, где лента 5 формируется в трубную оболочку вокруг сердечника 1. Кромки оболочки заваривают сплошным швом в установке аргоно-дуговой сварки 18, состоящей из горелки 19 и опорных роликов 20. После этого оболочку из ленты 5 плотно осаживают на сердечник 1 в редуцирующей волоке 21. Полученную при этом слоистую заготовку 22 перематывают тянущим барабаном 23, предназначенным для транспортировки в линии сердечника 1, ленты 5 и заготовки 22. Затем заготовку 22 нагревают в устройстве 24, обжимают в четырехвалковых калибрах 25 и готовое слоистое изделие сматывают на барабан 27.

П р и м е р. При осуществлении способа в качестве сердечника 1 используют стальную проволоку диаметром 6 мм из стали марки СВ08А, а в качестве оболочки 5 медную ленту марки М1Р толщиной 1,3 мм и шириной 32 мм.

Подготовку поверхности медной ленты 5 со стороны контактирования с поверхностью сердечника 1 осуществляют металлической щеткой 9.

Водный раствор кальцинированной соды с концентрацией 15% в полость электрода 11 подают с помощью насоса, обеспечивая при этом расход, при котором происходит полное заполнение камеры 10.

Обработку поверхности сердечника 1 в камере 10 осуществляют в растворе кальцинированной соды, к которому с тиристорного импульсного источника 13 посредством электрода 11 прикладывают импульсное напряжение положительной полярности с амплитудой импульсов 150-230 В.

Диаграмма импульсов приведена на фиг.2.

При этом размер электрода 11 выбирают из условия исключения дуговых пробоев между внутренней поверхностью электрода 11 и поверхностью сердечника 1 при подаче максимального напряжения из диапазона 150-230 В. Для обоснования предлагаемых режимов амплитуду импульсов при обработке поверхности сердечника 1 выбирают в пределах 140-240 В. Из этого диапазона задают пять значений 140, 150, 200, 230 и 240 В.

При наложении на раствор кальцинированной соды импульсного напряжения положительной полярности с амплитудой импульсов 150-230 В вблизи поверхности стального сердечника 1 развиваются процессы электролиза раствора, которые сопровождаются образованием вокруг сердечника 1 парогазового слоя, состоящего из паров жидкой среды и газообразного водорода. По границам паровых пузырьков происходит коммутирование этого слоя микродуговыми разрядами с образованием плазменного слоя с высокой энергией и температурой. Процесс коммутации разрядов является незавершенным пробоем, так как при нагреве пара от канала разряда пузырьки схлопываются, разряд гаснет и к поверхности сердечника 1 подводится новая порция раствора, который опять разлагается на ионы под действием импульсного напряжения положительной полярности с образованием газа и пара. Таким образом, в зоне обработки на границе раствор-сердечник 1 образуется слой хаотически гаснущих и вновь возникающих микродуговых разрядов с достаточно высокой энергией. Под воздействием этих разрядов, активного водорода и интенсивной кавитации, т.е. образования и схлопывания парогазового слоя, происходит одновременная комплексная модификация поверхности сердечника, заключающаяся в эффективном удалении всех загрязнений и оксидных слоев, в максимальной активизации приповерхностных слоев с формированием неравновесной структуры вследствие термических напряжений, вызванных действием микродуговых разрядов и волн давления, обусловленных импульсным характером кавитации среды обработки, а также в регуляризации поверхностного рельефа.

При амплитуде импульсов 140 В электроразрядный слой у поверхности сердечника 1 не обладает достаточной энергией для полной очистки поверхности, особенно от оксидов, и формирования активированной структуры приповерхностных слоев, в результате чего, при последующем обжатии заготовки 22 формируется соединение с низкой прочностью, уступающей прочности компонентов.

При амплитуде импульсов 240 В у поверхности сердечника 1 происходит закипание электропроводящей жидкой среды, очень быстро формируется пленка пара и сплошной плазменный слой, что приводит к резкому снижению отвода тепла от сердечника 1 и его разогреву с окислением поверхности. Образующийся при этом слой вторичных оксидов характеризуется значительной толщиной и прочностью и при обжатии блокирует развитие контакта диффузионных процессов, поэтому соединение имеет низкую прочность.

Скорость транспортирования сердечника 1, ленты 5 и слоистой заготовки 22 в линии составляет 12,0 м/мин. Нагрев слоистой заготовки 22 осуществляют до 85020^оС и прокатывают в клети с четырехвалковыми калибрами 25 со степенью деформации 25% При совместном обжатии заготовки 22 формирование соединения сердечника 1 с оболочкой 5 происходит по чистой активированной поверхности на максимально возможной площади рельефа поверхности сердечника 1. Одновременно с этим неравновесная структура приповерхностных слоев сердечника 1 обеспечивает интенсивное протекание гетеродиффузии на границе сердечника 1 с оболочкой 5.

Все это приводит к значительному повышению прочности соединения компонентов.

Партии сталемедного слоистого изделия 26, изготовленные при различных значениях амплитуды импульсов напряжения на электроде 11 устройства обработки 4, разрезают на образцы длиной 250 мм для определения прочности соединения сердечника 1 с оболочкой 5. Прочность соединения определяют по усилию среза зоны соединения оболочки 5 с сердечником 1 с помощью специального устройства на разрывной машине. В качестве критерия оценки выбирают сопротивление срезу меди, составляющие 150 мН/м², как наиболее прочного компонента.

Результаты испытаний образцов, приведенные в таблице, показывают, что соединение, не уступающее прочности медному компоненту, образуется при обжатии оболочки с сердечником, когда последний обработан в растворе кальцинированной соды, к которому прикладывают импульсное напряжение положительной полярности с амплитудой импульсов в пределах 150-230 В.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий обработку поверхности сердечника в жидкой электропроводящей среде, нанесение на него оболочки и последующее их совместное обжатие, отличающийся тем, что при обработке поверхности сердечника к жидкой электропроводящей среде прикладывают импульсное напряжение положительной полярности с амплитудой импульсов 150 - 230 В.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3