Исследование и разработка технологического процесса изготовления слоистой композиционной ленты НСтН и вопросы ее термообработки

На современном этапе, разработки в области прикладных наук должны быть нацелены на достижение конечного результата, обеспечивающего значительный технико-экономический эффект.

В настоящее время при разработке изделий новой техники эффективные решения связаны с нетрадиционными материалами, процессами, устройствами и т. п., обуславливающими сущность интенсивного развития промышленности, технологии и материалов, содержащими прямые указания о необходимости комплексных новых решений.

В связи с этим необходимо использовать при разработке новых технологий возможности изготовления материалов с заранее заданными свойствами, обуславливающие экономический эффект.

В нашей стране и в других передовых в техническом отношении странах проблемы создания материалов с заранее заданными свойствами, процессов их получения и переработки относятся к числу важнейших.

В настоящее время, для многих современных машин и аппаратов требуются автономные источники электрической энергии. Ими служат химические источники тока (ХИТ), производство которых стало важной отраслью электротехнической промышленности. Для изготовления деталей электровакуумных приборов и в химическом машиностроении — корпусных деталей ХИТ используют сталь или различные диэлектрики. Однако, для свинцовых кислотных аккумуляторов, невозможно применение даже коррозионностой-ких нержавеющих сталей из-за резкого усиления саморазряда свинцового электрода. Их корпуса изготавливают из эбонита, полипропилена, стекла и др.

Следует заметить, что положительные при заряде электроды аккумуляторов должны находиться в пассивном состоянии (т.е. при анодной поляризации до высоких потенциалов), поэтому при изготовлении корпусов ХИТ для кислотных аккумуляторов выбирается свинец и его сплавы, для щелочных — никелированная сталь или спечённый никелевый порошок.

Требования к отрицательным электродам менее жёсткие, однако, необходимо снижать влияние материала электрода на его саморазрядпотерю ёмкости ХИТ, в результате протекания самопроизвольных процессов.

В качестве сепараторов используют эбонитовые или винипластовые палочки, разделяющие разноимённые пластины. Формирование аккумуляторов осуществляют путём пропускания тока в один или несколько циклов заряд-разряд. Электролит состоит из раствора КОН и 4−15% гидроксида лития [40].

Корпуса аккумуляторов, а также стальную ленту, применяемую для изготовления ламелей, с целью защиты от коррозии покрывают никелем методом нанесения гальванических покрытий.

Кроме того, при обсуждении отдельных проблем развития промышленности, необходимо сосредоточить усилия на создании безотходного ресурсосберегающего экологически безопасного производства.

Основными критериями при выборе нанесения покрытий должны быть технологические, экологические и экономические показатели. Технология определяет и выбор оборудования. Естественно, что лучшей является технология, определяемая в основном: меньшим числом операций, применением дешёвых и менее вредных компонентов и т. п. 75].

Качество получаемых металлических покрытий и их защитные свойства определяются не только технологией нанесения гальванических покрытий, включая все операции, но и в значительной степени состоянием покрываемых материалов. Требования к состоянию поверхности основного материала, шероховатость поверхности металла должны соответствовать ГОСТ 2789.

Увеличение параметра шероховатости может привести к преимущественному росту покрытия на микровыступах, что вызывает перерасход металлов на покрытие, а в эксплуатации — ухудшение коррозионной защиты в результате повышенного влагоудержания, снижения износостойкости и других характеристик [32].

Подготовка поверхности состоит в удалении жиров, окалины, окислов, а также заусенцев, облоя, рисок и других поверхностных дефектов. Так как это приводит к снижению качества сцепления покрытия с основой, повышению шероховатости покрытий и снижению коррозионно-защитных, прочностных и других свойств покрытия. Подготовку осуществляют механическими, химическими и электрохимическими методами.

Металлическая поверхность после шлифования и полирования не должна иметь забоин, вмятин, прижогов, рисок, заусенцев. Это связано с тем, что одни дефекты могут быть устранены нанесением покрытия, другие же дефекты сами являются причиной наличия непокрытых мест на поверхности или образования ещё более крупных заусенцев, третьи (поры, раковины и т. п.) — способствуют быстрому развитию в этой зоне коррозии металла.

Таким образом, состояние поверхности в значительной степени может явиться причиной неудовлетворительного внешнего вида, отслаивания, шероховатости, низких коррозионных, механических и других свойств покрытия.

По сравнению с другими методами нанесения металлических покрытий электролитический метод имеет ряд преимуществ, хотя и не лишён определённых недостатков. Покрытия, полученные электролитическим методом, имеют более тонкую структуру и весьма ценные физические свойства — повышенную твёрдость, отражательную способность, коррозионную стойкость и др.

К недостаткам этого метода следует отнести некоторое снижение механических свойств покрытых изделий, особенно тонкостенных, вследствие возникающих в них внутренних напряжений, значительную длительность и трудоёмкость нанесения, неравномерность и разнотолщинность покрытия, нанесение покрытия одновременно на все поверхности, в то время как могут требоваться разные покрытия, невозможность получения покрытия с заданными механическими свойствами, влияние несоблюдения технологической дисциплины на свойства покрытия.

Указанные недостатки можно устранить применением композиционных материалов, в том числе плакированных лент. Закономерности изготовления конструкционных композиционных материалов установлены в ряде систематизированных работ и реализованы в ходе разработки ряда технологических процессов, а именно: получения плазменно-напылённых лент полуфабрикатов, прокатка листов и лент, прессования по схеме диффузионной сварки листов и панелей и т. п.

Освоены многие виды полуфабрикатов и изделий из конструкционных слоистых материалов. Однако, исследований по получению многослойных лент в виде стальной ленты, плакированной тонкой фольгой никеля, которую могли бы использовать для изготовления корпусов ХИТ, в научной литературе не встречается.

Таким образом, необходимо отметить, что основной принцип реализации процесса и средства для его осуществления известны, однако, научные, конструкционные и технологические решения являются не совсем приемлемыми, т.к. изготовление лент НСтН характеризуется не только сложностями, обусловленными природой таких материалов, но и дополнительными сложностями, главные из которых связаны с технологическими требованиями к готовому изделию — корпусам ХИТ.

Наиболее перспективным для получения слоистых материалов для изготовления корпусов ХИТ является метод нанесения металлических покрытий при помощи плакирования, то есть связи слоев разнородных металловдиффузии с поверхностей этих металлов, находящихся в контакте [1].

Этот метод обеспечивает возможность изготовления композиционных материалов (КМ) сэндвич-типа для электротехнических и инженерных целей. Исследование такого сложного процесса как схватывание можно выполнить двумя методами: 1) полным теоретическим анализом с расчётом механизмов деформации с использованием минимального количества исходных параметров- 2) применять зависимости, установленные экспериментально, особенно для тех процессов, теоретический анализ которых вызывает серьёзные затруднения (например, упрочнение при пластической деформации). Очевидно, первый метод даёт максимум научной информации и в принципе является более плодотворным.

Актуальность работы. Промышленный подъём в России и переход на интенсивное развитие невозможны без переориентации на ресурсосберегающие технологии на основе тесной интеграции науки и производства во всех отраслях промышленности. Развитие и расширение производства требует применения базовых технологий, широкого использования современных технологий, позволяющих добиться значительного повышения эксплуатационных характеристик материалов широкого назначения.

Значительно возросло внимание к вопросу изготовления электротехнических изделий, в частности корпусов химических источников тока.

Ранее корпуса ХИТ изготавливали из никелевой полосы. В последнее время этот вопрос решается нанесением на стальную ленту покрытий электролитическим способам.

Замена монометаллической никелевой полосы и стальной ленты, гальванизированной никелем в конструкциях промышленных аппаратов и машин при изготовлении корпусов химических источников тока на слоистую стале-никелевую ленту НСтН (никель-сталь-никель) позволит снизить расход дефицитного никеля, стоимость этих элементов на 15−20% при их улучшении и улучшить другие эксплуатационные характеристики изделий. Применение слоистой композиционной ленты позволит получить высокую стабильность толщины никелевых слоев, за счёт подпирающих сил контактного трения, а также за счёт относительно низкой температуры процесса плакирования добиться минимальной послойной неравномерности при плакировании, за счёт высоких удельных давлений при плакировании устранить пустоты и несплошности, повысить качество и прочность используемых материалов.

Получение корпусов химических источников тока из слоистых композиционных материалов (КМ) является сложной задачей. Исследование условий соединения и разработка технологических процессов получения многослойных композиционных материалов требует углубленного изучения явлений и представляет собой актуальную задачу, имеющую большое значение.

Целью работы является исследование и разработка технологического процесса изготовления слоистой композиционной сталеникелевой ленты НСтН.

Для реализации цели получения слоистой сталеникелевой ленты НСтН необходимо решение следующих задач:

1. Исследование процессов схватывания при плакировании стали никелем.

2. Выбор рациональных технологических режимов изготовления слоистого композита.

3. Разработка техпроцесса изготовления слоистой композиционной сталеникелевой ленты для изготовления корпусов химических источников тока на основе проведения исследований для получения рациональных параметров в соответствии с требованиями по типоразмерам, составу, а также по характеристикам изделий.

4. Оценка качества получаемых композиционных лент путем проведения микроструктурных исследований, механических испытаний и определение эксплуатационных характеристик.

Научная новизна заключается:

— в создании методики расчёта прочности соединения составляющих слоистого композиционного материала в процессах плакирования;

— в установлении функциональной взаимосвязи деформации схватывания (8СХ) при разработке технологии изготовления многослойных материалов от физико-химических особенностей избранной пары металлов;

— в установлении размеров исходных заготовок и составов материалов, обеспечивающих качественное соединение при плакировании;

— в разработке методики достижения технологических параметров деформации, обеспечивающих получение компактного материала с прочной связью по границам компонентов;

— в установлении взаимосвязи давления, необходимого для образования прочного соединения разнородных металлов при холодном плакировании, с температурным режимом процесса, параметрами пластической деформации, скоростными параметрами процесса;

— в научном обосновании целесообразности схемы подготовки поверхности никеля и стали в сочетании обезжиривания с последующим отжигом (водородным) в защитной атмосфере;

— в получении основных закономерностей влияния технологических факторов на прочностные свойства и геометрические параметры получаемой прокаткой композиции;

— в исследовании основных закономерностей влияния технологических факторов на свойства и структуру получаемых прокатной композиции — тонкой плакированной ленты.

Объект исследования. Объектом исследования данной работы является слоистая композиционная сталеникелевая лента НСтН.

Методы исследования. Технологическая деформация схватывания (8т) слоев изучалась методом раздирания. Термическое расширение ленточных материалов измеряли бесконтактным абсолютным методом в вакууме. Исследование структуры проводилось методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.

Практическая ценность работы заключается в том, что проведёнными автором аналитическими и экспериментальными исследованиями обеспечена возможность создания научно-обоснованного технологического процесса получения композиционной слоистой сталеникелевой ленты НСтН. Проведено комплексное экспериментальное исследование процессов схватывания, влияния режимов прокатки (температура деформации, степень деформации и скорость деформации, режим обжатий, условия термообработки) на свойства композиционных систем никель-сталь-никель. Разработаны технологические рекомендации по производству слоистых КМ пакетной прокаткой.

Достоверность основных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается корректностью постановки задач, согласованностью полученных результатов с общепринятыми представлениями теории и практики химико-термической обработкиотсутствием противоречий с результатами исследований зарубежных и российских учёных, работающих в данном направлении. Достоверность результатов работы основывается на комплексном использовании современных методов, применением их в соответствии с действующими ГОСТами и с учётом особенностей изучаемых объектов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской Научно-Технической Конференции «Прогрессивные Технологии, Конструкции и Системы в Приборои Машиностроении» (Москва, 2004 г., 2005 г.) — Научно-Технической Конференции «Прогрессивные Технологии, Конструкции и Системы в Приборои Машиностроении» (Москва, 2005.).

Публикации. Самостоятельно по теме диссертации опубликовано 9 работ, из них в журналах рекомендуемых перечнем ВАК РФ — 3.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём диссертации составляет 151 страница текста, 52 рисунка, 21 таблица, литературных ссылок 77.

Выводы.

1. Установлены основные требования к слоистым металлическим материалам для изготовления деталей методом глубокой вытяжки.

2. Разработана методика оценки прочности сцепления слоев при холодном плакировании прокаткой, позволяющая фиксировать технологическую деформацию схватывания (£г) и скорость формирования соединения (Ус).

3. Исследованы процессы взаимодиффузии в системе железо-никель. Определены коэффициенты и параметры диффузии, а также их концентрационная зависимость.

4. Исследован процесс соединения тонких никелевых лент и фольг со сталью методом холодной прокатки, и получены технологические параметры плакирования слоистой композиционной сталеникелевой ленты НСтН.

5. Разработана методика для измерения теплового расширения тонких ленточных материалов. С целью изучения протекания диффузионных процессов на границе раздела сред в системе железо-никель исследовано тепловое расширение отожжённой нагартованной ленты НСтН с различным соотношением слоёв.

6. Показано, что технологическая деформация схватывания и скорость формирования соединения не зависят в исследуемом диапазоне от соотношения слоёв и эффективного предела прочности полосы НСтН, определяются физико-химическими свойствами непосредственно контактирующих поверхностных слоёв компонентов.

7. Показано, что образцы трёхслойной ленты НСтН с преобладающим содержанием никеля при одноцикловом прогреве до 650 °C и охлаждении укорачиваются, с преобладающим содержанием стали — удлиняются. Нагартовка ленты сдвигает область перехода от укорочения к удлинению в сторону большего содержания никеля. Остаточное изменение исходной длины образцов объясняется микропластической деформацией слоев.

8. На основе полученных результатов исследований разработан технологический процесс нанесения металлических покрытий и изготовления методом холодного плакирования, слоистой композиционной ленты НСтН сэндвич-типа для электротехнической промышленности.