Методы контроля качества биметаллов

     Испытанию на перегиб подвергают биметаллические  листы толщиной не более 5 мм. Размеры образцов принимают обычно следующими: ширина b = 2а + 10 мм, длина 150 мм.

     Образец зажимают в губки прибора в  вертикальном положении и затем  попеременно загибают в правую и левую стороны на 90° со скоростью не более 60 перегибов в минуту. Испытание проводят до разрушения образца с фиксацией соответствующего числа перегибов. Признаком качественного сцепления слоев считается отсутствие в изломе отслоения плакирующего слоя. Если при испытании плакированных материалов на выдавливание лунки по Эриксену или разрывных образцов биметалл ведет себя как монометалл, т.е. отсутствует отслоение покрытия, то считают, что в  биметалле достигнуто надежное сцепление слоев. Косвенно о прочности сцепления слоев можно судить также при испытании образцов на скручивание.

     В настоящее время для определения  прочности сцепления слоев биметаллов преимущественно применяют методы количественной оценки с помощью испытаний на отрыв и срез слоев при статическом или динамическом нагружении.

     Известные схемы испытаний при статическом  нагружении на отрыв и срез слоев приведены на рис. 7 и 8. Из приведенных схем испытаний на отрыв слоев наиболее широкое распространение получил метод отрыва по кольцевому контуру (рис. 7, а). Образец биметалла обрабатывают на токарном станке; диаметр расточки внутреннего цилиндра выбирают обычно опытным путем таким образом, чтобы максимальное усилие отрыва слоев по кольцевому контуру не превосходило усилия на срез слоя плакировки. Обычно ширина кольцевой площадки составляет 1,5—3 мм. Испытание при статических нагрузках производят на разрывных машинах. Образец устанавливают на подкладное кольцо и пуансоном осуществляют отрыв нижнего слоя.

     Рис. 7. Способы определения прочности сцепления слоев биметаллов при испытании на отрыв:

     а – образец с кольцевым контуром; б – с прямоуголыным контуром;

     в – образцы с тонким плакирующим  слоем; г – микрообразцы. 

     Прочность сцепления слоев в Мн/м² (кГ/мм²) определяют делением максимального усилия отрыва на величину площади кольца. Значительно реже применяют метод испытаний на отрыв слоев с прямыми пазами (рис. 7,6). Для испытаний по схеме, приведенной на рис. 7, в, трудно и сложно готовить образцы, поэтому она не получила широкого применения. Для определения прочности сцепления слоев биметаллов значительных толщин (более 10 мм) с примерно равными толщинами слоев целесообразно применять микрообразцы (рис. 7, г).

     В биметаллических пластинках размерами 60x60 мм в центре высверливают отверстие диаметром 8—10 мм. Затем пластинку крепят на державке, вставленной в патрон токарного станка. Далее производят расточку двух кольцевых пазов в обоих слоях с различными диаметрами, чтобы получилась кольцевая площадка шириной 2 – 3 мм. Испытание на отрыв производится так же, как и в случае испытаний по схеме рис. 7, а.

     Наиболее  простым в изготовлении образцов и проведении испытаний прочности  сцепления слоев биметаллов на срез является способ растяжения плоских  образцов с поперечными надрезами  слоев (рис. 8,а). Для исключения возможных ошибок в оценке прочности сцепления надрезы следует делать на глубину, превышающую толщину соответствующего слоя на 0,1-0,5 мм. Ширину площадки среза выбирают из следующего условия: возможное усилие среза должно быть меньше усилия разрыва в опасном сечении менее прочного компонента биметалла. Обычно она равна 2-4 мм.

     Образец зажимают в захватах разрывной машины и подвергают растяжению. Делением максимальной нагрузки на величину площади сдвига определяют прочность сцепления слоев на срез в Мн/м² (кГ/мм²). Этот метод особенно удобен для испытания биметаллов с одинаковой толщиной слоев. В случае различной толщины слоев при растяжении может наблюдаться некоторый изгиб образцов, который оказывает влияние на результаты испытаний на срез. Поэтому для получения стабильных и сопоставимых данных о прочности сцепления слоев биметаллов необходимо сфрезеровывать толстый слой до размеров тонкого или при подготовке образцов для испытания обеспечивать постоянное соотношение между их толщинами. 

     Рис. 8. Способы определения прочности сцепления слоев биметалла при испытании на срез на разрывной машине (а), прессе (б) и в специальном приспособлении (в):

1 – стальная  основа (б) и образец (в); 2 –  плакирующий слой (б) и обойма (в); 3 – зажимы для образца (б) и подвижной шток (в)

     На  ряде заводов для оценки прочности  сцепления слоев биметалла на срез успешно применяют второй способ (рис. 8,б), для чего на одной стороне образца сфрезеровывают слой менее прочного компонента, оставляя лишь узкую полоску его шириной, равной примерно 
полуторной толщине этого слоя.

     Образец устанавливают в прессформу между  плоскими плитами так, чтобы он узкой полоской опирался на одну из них, и производят его осадку. Аналогичным образом испытывают антифрикционные биметаллы по методу английской фирмы «Гласиер» на Заволжском моторном заводе. Из биметаллических полос вырубают на прессе круглые дисковые образцы и производят стравливание или сфрезеровывание слоя сплава, оставляя узкую полоску его в центре образца. При   фрезеровании снимают не только сплав, но и стальную основу на глубину 0,2 мм, что обеспечивает более точное приложение усилия при срезе. Испытание на срез производят на специальном приборе-тензометре в соответствующем приспособлении (рис. 8, в).

     В тех случаях, когда изделия, изготовленные  из биметаллов, в условиях эксплуатации подвергаются быстро возникающим переменным нагрузкам и ударам, целесообразно проводить оценку прочности сцепления слоев биметаллов на отрыв и срез при динамическом нагружении.

     На  рис.  9, а показаны образец и схема испытаний на ударный отрыв, предложенные Н. Д. Лукашкиным и В. К. Королем для биметаллов сталь — высокопрочные алюминиевые сплавы с одинаковой толщиной слоев. Испытание осуществляют на маятниковом копре. Критерием оценки  прочности сцепления слоев служит удельная работа отрыва образца, которая определяется по формуле

где А_к — ударная работа, кн·м (кГ·м);

     а и b — размеры площадки отрыва, м.

     Подобным  образом проводят испытание на ударный отрыв тонких антифрикционных биметаллов по методу, разработанному Ю. Я. Зильбергом. Им же предложен метод испытания на ударный срез  плакирующего слоя (рис. 9,б). Образец 3, имеющий фрезерованную канавку, крепится болтом 6 к направляющей 5, шарнирно соединенной   с вилкой  2,  которая ввинчивается в тыльную часть маятника копра. На направляющую надет ползун 4, к которому прикреплен нож 1, находящийся в прорези образца. Во время удара ползуна 4 о выносные упоры копра происходит срез или скол (частичный или полный) плакирующего слоя.

     Размеры площадок для динамического отрыва и среза слоев биметаллов зависят  от ряда физико-механических свойств менее прочного компонента биметалла и подбираются опытным путем. Ударные испытания следует проводить на копрах, мощность маятника которых близка к величине работы, необходимой для испытания заданных образцов. Тогда достигается требуемая, точность результатов проводимых испытаний.

      Рассмотренные методы качественной и количественной оценки прочности сцепления слоев применяют для выборочного контроля биметаллического проката. Такая методика не исключает выпуск отдельной биметаллической продукции с непрочным сцеплением слоев и местными участками расслоения по границе раздела. Вследствие этого наблюдаются значительные потери металла при изготовлении различных изделий из биметаллического проката, а в ряде случаев возможны аварии агрегатов при эксплуатации, в которых был применен биметалл с внутренними дефектами (расслоение, трещины, поры и т. п.).

      Поэтому для повышения надежности и долговечности работы машин и аппаратов, изготовляемых из биметаллов, необходимо проводить 100%-ный контроль их качества и применять для этих целей физические методы испытаний биметаллического проката без его разрушения.

Рис. 9. Способы испытаний прочности сцепления слоев биметаллов на динамический отрыв (а) и срез (б):

1 – опоры копра; 2 – биметаллический образец (М1-мягкий компонент; М2-твёрдый компонент); 3 – боек 
 

      Контроль  сплошности  слоев   (расслоений)  наиболее целесообразно осуществлять   с   помощью   ультразвука. Исследования   показали,   что   ультразвуковым способом довольно четко определяются границы зон несварки слоев различных листовых биметаллов в сочетании   углеродистой   стали   с   нержавеющими    сталями, медью, латунью, никелем,   серебром   и   алюминиевыми сплавами. Сопоставительная проверка зон расслоения испытанием на отрыв и срез слоев подтвердила результаты исследований ультразвуком. Переход от нерасслоившегося биметалла, к расслоившемуся носит резкий, ступенчатый характер.

      Для контроля расслоений целесообразно  применять ультразвуковые продольные волны и волны интерференционного типа с частотами колебаний 2,5—5,0 Мгц При этом контроль можно производить как зеркально-теневым, так и эхо-методом. При контроле продольными ультразвуковыми волнами наибольшей чувствительностью обладает эхо-метод. Этим методом выявляются расслоения с минимальной площадью 8 мм², а зеркально-теневым 60 мм², при этом толщина обнаруживаемых расслоений соответственно равна 5—10 и 2—5 мкм.

     Для ультразвукового контроля качества биметаллического проката могут применяться существующие образцы приборов типа УЗУЛ, УДМ-1М, УЗД-7Н, УЗДЛ-61-2М и др.

     Установка УЗУЛ предназначена для промышленного выявления внутренних дефектов листового проката шириной до 2800 мм. Дефектоскоп — иммерсионного типа, работает с импульсным излучением ультразвука. Результаты контроля автоматически фиксируются на дефектограмме, на которой прибор вычерчивает контур листа в масштабе 1 : 10 и размеры, форму и местоположение обнаруженных дефектов (расслоений, трещин). Скорость контроля составляет ~ 30 м²/мин. Минимальный размер фиксируемого дефекта по плоскости листа составляет около 100 мм² для листов толщиной до 20 мм.

     При использовании ультразвукового дефектоскопа УДМ-1М контроль расслоений проводится прямыми щупами. Наиболее удобна для контроля однощуповая схема, но при этом минимальная толщина проверяемого биметалла при частоте ультразвуковых колебаний 2,5 Мгц составляет 7 мм. Применение сдвоенного щупа позволяет проводить дефектоскопию двухслойной стали толщиной 2 мм и более.

     Измерение толщин слоев в биметаллическом  прокате может производиться  различными способами в зависимости от вида биметалла, его размеров, условий изготовления, методов контроля (выборочный или стопроцентный) и т. п. Необходимость тщательного контроля толщин слоев биметаллических материалов обусловлена тем, что от соотношения толщин слоев компонентов биметалла в значительной мере зависят его физико-механические свойства (предел прочности, текучести, относительное удлинение, антифрикционные и антикоррозионные свойства, электро- и теплопроводность и т. п.) и эксплуатационные характеристики.

     Выборочный  контроль толщин слоев биметаллов сталь — цветные металлы при малой толщине слоев осуществляют на шлифах под микроскопом или замером общей толщины биметалла и стального основания после стравливания плакирующего слоя. Можно измерять толщины слоев биметалла обычными микрометрами после искусственного расслоения. Например, биметалл сталь – алюминий и его сплавы можно легко расслоить после нагрева до температур 520—620° С и быстрого охлаждения (в воде). Просто контролируются толщины слоев биметаллического проката, изготовляемого по способу пакетной прокатки с однокомпонентной деформацией.

     Для массового контроля толщин слоев  биметаллов сталь — цветные металлы широко применяют различные толщиномеры. Поскольку один компонент этих биметаллов является немагнитным или слабомагнитным а другой компонент (стальная основа) — ферромагнитным, то преимущественно применяют индуктивные и магнитные (электромагнитные) толщиномеры.