С каждым годом возрастает использование в машиностроительных конструкциях биметаллов и многослойных материалов, сочетающих в себе прочность, недефицитность, невысокую стоимость основного конструкционного слоя и специальные свойства тонкого покрытия — коррозионную и кавитационную стойкость, антифрикционность, электропроводность и др. Кроме того, биметаллы могут применяться как конструктивные элементы, в качестве переходников для соединения деталей из разнородных металлов и сплавов.
Одним из перспективных способов получения биметаллов является сварка взрывом. Сущность процесса заключается в следующем: под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость порядка нескольких сотен метров в секунду и соударяется с неподвижной пластиной под определенным углом; вследствие высоких скоростей соударения и давления в зоне контакта происходит очистка поверхностей, их активация и образование соединения в твердой фазе.
К основным преимуществам сварки взрывом перед другими способами сварки и плакирования относятся:
- возможность соединения практически любых металлов, в том числе трудносоединяемых и не соединяемых обычными методами;
- высокая производительность процесса при плакировании крупногабаритных изделий по сравнению с наплавкой и заливкой;
- кратковременность и простота осуществления процесса;
- получение равномерных плакирующих слоев практически любой толщины за счет применения высококачественного листового проката.
Как известно, в судостроении широкое применение нашли алюминиевые сплавы. Несмотря на их более высокую стоимость по сравнению со сталью, судовые конструкции из алюминиевых сплавов окупаются быстрее благодаря целому ряду преимуществ: легкости, немагнитности, коррозионной стойкости и достаточно высокой прочности. Цельноалюминиевые конструкции изготавливают, как правило с помощью сварки; соединение же алюминиевых деталей со стальными может выполняться с помощью клепки или сварки, через биметаллические переходные элементы. Сварка, естественно, процесс менее трудоемкий по сравнению с клепкой. Кроме того, получаемые соединения более надежны.
Технология сварки алюминиевых сплавов со сталью с использованием биметаллических переходников внедрена, например, для соединения выгородок надстройки со стальной палубой судна. Биметалл для переходников можно получать как путем прокатки, так и посредством сварки взрывом. Однако возможности прокатки ограничены при получении переходников с толщиной составляющих биметалла более 5 мм, а также имеющих значительные размеры по площади.
В настоящее время биметаллические переходники, полученные путем сварки взрывом, находят все более широкое применение за рубежом.
В Польше на Гданьской судоверфи построено несколько судов с применением именно таких промежуточных элементов (сталь+алюминиевый сплав). Переходники вырезались из трехслойных листов: судостроительная сталь (толщина 20 мм) + под слой чистого алюминия (6 мм) + алюминиево-магниевый сплав (10 мм). Отмечается, что переходники, полученные посредством сварки взрывом, характеризуются высокой коррозионной стойкостью и прочностными свойствами.
В Югославии на судоверфи в Сплите построено судно для Финляндии, в котором для соединения алюминиевой надстройки со стальной палубой использованы полосы из биметалла: сталь (20 мм) + чистый алюминий (6—10 мм) + алюминиево-магниевый сплав (5—8 мм). Полученные путем сварки взрывом соединения обладают высокой прочностью при статических и циклических нагрузках. По данным работы, при постройке эсминца с применением биметаллических переходных элементов масса корпуса благодаря использованию надстроек из алюминиевых сплавов была снижена на 100 т.
При необходимости методом сварки взрывом можно получать и другие композиции для изготовления переходных элементов (сталь+титан, титан+алюминий и др.). Посредством биметалла возможно соединять не только листы, но и трубы, изготовленные из разнородных материалов. Кольцевые переходные элементы при этом получают из биметаллической заготовки путем механической обработки или штамповки.
Кроме того, имеются другие перспективные области применения биметаллов. Так, в работе проанализированы потенциальные преимущества строительства больших и малых судов с использованием в качестве обшивки стальных листов, плакированных медно-никелевым сплавом, имеющим необрастающие свойства. Экономический эффект при этом обусловлен уменьшением расхода топлива, повышением эксплуатационной скорости судна, увеличением межремонтных периодов, экономией средств на окраску корпуса.
Следует также рассмотреть и другие возможности применения сварки взрывом в судостроении и судоремонте. С целью экономии дефицитных материалов целесообразно, например, изготавливать из биметалла (сталь+нержавеющая сталь или сталь+алюминий) емкости для хранения на судне пресной воды. Большим резервом экономии цветных металлов может служить замена цельнометаллических деталей на биметаллические. Так, условия работы вкладышей и втулок в узлах трения судовых механизмов позволяют выполнять их двухслойными — с основой из стали и внутренним тонким антифрикционным слоем из бронзы или латуни. Наиболее подходящим способом изготовления подобных двухслойных изделий является сварка взрывом, обеспечивающая равномерность и высокую прочность плакирования, отсутствие дефектов литья и необходимости в больших припусках под последующую механическую обработку.
Детали и узлы, работающие в условиях интенсивного ударного или ударно-абразивного износа, преимущественно упрочняют путем наплавки износостойкой стали Гадфильда. Зачастую низкое качество наплавленного металла (химическая и структурная неоднородности, растрескивание и др.), высокие трудоемкость и энергоемкость существенно снижают эффективность этого технологического процесса. В связи с этим весьма перспективным является использование биметаллической композиции: низкоуглеродистая сталь+сталь 110Г13. В этом случае хорошо свариваемая низкоуглеродистая сталь толщиной 4—6 мм, нанесенная способом сварки взрывом на износостойкую сталь Гадфильда, служит переходным слоем для приварки детали к несущей конструкции. Такой биметалл успешно применяется на предприятиях Минречфлота для полозков каретки черпака земснаряда.
Учитывая значительные объемы механической обработки на предприятиях и дефицит инструментальных материалов, очевидно, целесообразно внедрять и биметаллический инструмент. Изготовленные из биметалла плоские протяжки, тангенциальные и призматические резцы, вырубные штампы, у которых только режущая часть выполнена из инструментальной стали, позволяют экономить, например, до 80% вольфрамосодержащих материалов. Стойкость инструмента из биметалла, полученного методом сварки взрывом, находится на уровне, соответствующем стойкости серийного цельнометаллического инструмента.
Что же касается основных механических свойств таких биметаллов, то они соответствуют приблизительно уровню свойств аналогичных биметаллов, полученных наиболее распространенным способом — пакетной прокаткой. Прочность соединения слоев при сварке взрывом в среднем на 30% выше. Эксплуатационные свойства биметаллов (коррозионная стойкость, износостойкость, антифрикционные и др.) соответствуют свойствам плакирующего слоя.
Перспективы применения биметаллов в судостроении и судоремонте в заключение можно проиллюстрировать следующими примерами.
Углеродистая сталь+нержавеющая сталь. Объекты применения — емкости для хранения и перевозки воды, танки и т. д. Экономическая, техническая и другая эффективность^: повышение коррозионной стойкости, экономия нержавеющей стали, снижение массы.
Сталь+алюминий (алюминиевый сплав). Переходники для соединения надстроек с палубой, емкости. Замена заклепочных соединений на сварные, снижение трудоемкости при ремонте, уменьшение массы, повышение коррозионной стойкости.
Сталь+бронза. Узлы трения и подшипники скольжения. Экономия цветных металлов, повышение несущей способности и циклической прочности.
Сталь+медно-никелевый сплав. Корпус судна. Отсутствие обрастания корпуса и как следствие этого уменьшение расхода топлива, повышение эксплуатационной скорости судна и увеличение межремонтных периодов.
Сталь Ст3+сталь 110Г13. Полозки кареток черпаков земснарядов и т. п. Повышение надежности и, следовательно, увеличение межремонтных периодов.
Конструкционная cтaль+инструментальная сталь. Металлообрабатывающий инструмент. Экономия дефицитных материалов, повышение циклической прочности.
