Владимир Столяров, Ирина Родионова, Анатолий Быков
Институт качественных сталей ГНЦ РФ »ЦНИИчермет им. И. П. Бардина»

    Биметаллы, состоящие из двух или нескольких различных металлов либо сплавов, представляют особый класс конструкционных материалов с широким комплексом эксплуатационных и технологических характеристик. В основе их практического применения лежит возможность создания композиций с заранее заданными, подчас уникальными, свойствами, а также экономное использование остродефицитных и дорогостоящих материалов. Современная техника позволяет выпускать широкий сортамент биметаллических полуфабрикатов (листов, лент, труб, проволоки, профилей и т. д.).
    В биметаллическом полуфабрикате для основного компонента (или слоя), который, как правило, выполняет функцию силового элемента и имеет большую толщину, выбирается более дешевый металл. Плакирующий слой в зависимости от требований к материалу может иметь высокие физико-механические свойства (коррозионную стойкость, износостойкость, электропроводность и т. д.) или выполнять роль декоративного покрытия. Обычно этот слой имеет меньшую толщину и изготавливается из более дорогих и дефицитных материалов. Сочетание в одном материале различных свойств, например коррозионной стойкости и высокой механической прочности, и является основой эффективности использования биметаллов.
    Высокие потребительские характеристики биметаллов предопределили развитие их производства и применение в различных отраслях хозяйства (рис. 1, 2). В середине 80-х годов общий объем выпуска биметаллических полуфабрикатов в СССР достиг 150 тыс. т, в том числе более 70 % приходилось на долю предприятий черной металлургии.
    Большое многообразие многослойных материалов по видам и композициям предопределяет широкий набор методов их получения. К наиболее экономически целесообразным способам производства плакированных материалов, нашедшим промышленное применение, следует отнести способы литейного плакирования, пакетной прокатки, сварки взрывом, наплавки, холодного рулонного плакирования, метод совместной пластической деформации при прессовании и волочении.
    Сегодня в России для производства толстолистового биметаллического проката используются три основные технологии. Это – пакетная прокатка по новой технологической схеме с вакуумированием пакетов, освоенная в ОАО »Ижорские заводы»; сварка взрывом на полигонах Волгоградского государственного технического университета и ряда предприятий; электрошлаковая наплавка в ОАО »Северсталь» и ОАО »Металлургический завод »Красный Октябрь» (Волгоград).
    Пакетный способ прокатки предусматривает горячую или холодную деформацию на требуемый профиль заготовки (пакета), состоящей из двух или более слоев различных металлов. Поверхности соединяемых слоев специально подготавливают. Аналогичным образом осуществляется плакирование при экструзии и волочении.
    Способ сварки взрывом основан на образовании прочного соединения двух или более металлов при их высокоскоростном соударении, когда в качестве энергоносителя применяется взрывчатое вещество. Плакирование взрывом осуществляется в основном по схемам с параллельным или наклонным расположением плакирующей пластины относительно заготовки основного металла. Применяется и непосредственное плакирование, и плакирование с последующей прокаткой.
    При использовании способа широкослойной электрошлаковой наплавки соединение слоев происходит в жидком состоянии благодаря проплавлению основного слоя на определенную глубину и перемешиванию наплавляемого металла с расплавленным металлом основы, причем одновременно по всей ширине заготовки.
    Все перечисленные технологические схемы обеспечивают гарантированную сплошность и прочность соединения слоев на уровне прочности сталей, входящих в композицию. При таком высоком качестве соединения практически исключается возможность расслоений в процессе последующей обработки биметалла – при операциях резки, гибки, формовки, сварки и т. д. Следует отметить, что в совокупности указанные технологии позволяют получать самый широкий спектр марочного и размерного сортамента биметаллической и многослойной металлопродукции с плакирующими слоями из сложнолегированных сталей и сплавов, а также цветных металлов. Выбор той или иной технологической схемы для конкретного потребителя должен определяться сортаментом требуемого биметалла и экономическими показателями.
    Например, за последние годы ряд российских предприятий освоил производство плакированных сварных и бесшовных труб способом электрошлаковой наплавки.
    Производство прямошовных труб диаметром 146 – 530 мм с толщиной стенки 5 – 10 мм освоено в ОАО »Выксунский металлургический завод», спиральношовных труб диаметром 159 – 377 мм с толщиной стенки 4 – 6 мм – в ОАО »Альметьевский трубный завод». Эти трубы получают из двух- и трехслойных штрипсов, производимых в ОАО »Северсталь».
    Опробовано производство биметаллических бесшовных труб размером 168 х 12 мм при толщине плакирующего слоя 2 – 3 мм по кооперации ОАО »Металлургический завод »Красный Октябрь» – АООТ »Волжский трубный завод». По предложенной технологической схеме возможно изготовление труб диаметром 70 – 245 мм с толщиной стенки 4 – 30 мм.
    В настоящее время промышленность России имеет возможность производить биметаллическую и многослойную металлопродукцию различного сортамента, в том числе листовой прокат толщиной от 0,5 до 120 мм, сварные и бесшовные трубы, проволоку и другие виды проката.
    Оценивая реальные перспективы использования биметаллической и многослойной металлопродукции, можно выделить два основных направления:
    – обеспечение потребности в высококачественном биметалле традиционных потребителей;
    – выявление новых перспективных потребителей, для которых использование биметалла экономически эффективно.
    В числе отраслей, традиционно использующих оборудование из биметалла, следует в первую очередь отметить химическую, нефтяную, целлюлозно-бумажную. Здесь биметалл во многих случаях остается единственным материалом, обладающим необходимым комплексом механических свойств и коррозионной стойкостью, и этот биметалл полностью соответствует требованиям традиционных потребителей.
    Помимо обеспечения потребности традиционных заказчиков технический уровень производства биметаллов делает возможным и перспективным их использование рядом новых потребителей.
    При участии ЦНИИчермет им. И. П. Бардина проведены комплексные коррозионные испытания и показаны целесообразность и перспективы использования коррозионностойких биметаллов в нефтедобывающей отрасли, особенно в системах нефтесбора. К многочисленным авариям нефтепромысловых трубопроводов и нефтяных резервуаров приводят коррозионные повреждения стальной поверхности, находящейся в контакте с подтоварной водой, закачиваемой в пласт для повышения нефтеотдачи. Для увеличения коррозионной стойкости и срока службы было предложено изготавливать трубопроводы и нефтяные резервуары (нижние пояса и днища) из двухслойной коррозионностойкой стали с плакирующим слоем из экономичной хромистой стали, содержащей около 13 % хрома.
    В настоящее время на нефтепромыслах Западной Сибири пущено в эксплуатацию около 2 км нефтепроводов из трехслойной стали диаметром 159 и 325 мм с толщиной стенки 5 – 8 мм.
    Как показывают результаты коррозионных испытаний по методикам, имитирующим условия эксплуатации нефтепромыслов Западной Сибири, срок службы таких трубопроводов составит не менее 30 лет и превысит срок службы трубопроводов из углеродистых сталей более чем в 10 раз при удорожании не более чем в 2,5 – 3 раза. Натурные промысловые испытания в течение 6 месяцев также не выявили никаких следов коррозии на поверхности плакирующего слоя при скорости общей коррозии не более 0,005 мм/год, в то время как на поверхности образцов всех углеродистых и низколегированных сталей, испытанных в тех же условиях, явные следы коррозии присутствуют. Следует отметить также высокую технологичность плакированных труб при монтаже трубопроводов, их удовлетворительную свариваемость без необходимости привлечения дополнительного оборудования при использовании разработанной ЦНИИчермет им. И. П. Бардина совместно с АО »ВНИИСТ» технологии монтажной сварки.
    Мировая практика позволяет выделить следующие основные направления применения биметаллов в нефтедобывающей промышленности:
    – производство сварных труб для нефтепроводов и водоводов, транспортирующих пластовую воду;
    – изготовление и ремонт нефтяных резервуаров с использованием биметаллического листового проката;
    – использование биметаллических бесшовных труб для обустройства скважин нефте- и газодобычи.
    Особого внимания заслуживает использование биметаллических бесшовных труб для глубоких скважин нефте- и газодобычи. Ряд исследователей считают, что в условиях повышенных температур и давлений при высоких концентрациях сероводорода, углекислого газа и других агрессивных компонентов биметалл является единственным материалом, который способен обеспечить длительный срок службы оборудования.
    Другой перспективной областью использования коррозионностойких плакированных труб (прямошовных и спиральношовных) является строительство и ремонт тепловых сетей. При этом срок службы их может быть увеличен до 75 лет.
    В числе перспективных областей использования тонколистового коррозионностойкого многослойного проката следует отметить автомобилестроение (изготовление топливных баков и глушителей с повышенной коррозионной стойкостью), пищевую промышленность, производство товаров народного потребления и другие отрасли, где рассматриваемый материал может быть использован как экономичный заменитель нержавеющих сталей.
    Научно-исследовательские разработки ЦНИИчермет им. И. П. Бардина позволили создать ряд новых высокоэффективных износостойких биметаллов.
    В сельскохозяйственном, угольном и автотракторном машиностроении увеличение износостойкости деталей играет особую роль. Важным свойством рабочих органов почвообрабатывающих машин (плужных лемехов, лап культиваторов, дисков лущильников, борон и др.) является сохранение оптимальной геометрии режущего лезвия в процессе работы. Таким требованиям в полной мере удовлетворяет износостойкий биметаллический прокат, сочетающий высокое сопротивление абразивному износу и стойкость к ударным нагрузкам. Благодаря различному износу плакирующего и основного слоев при обработке почвы достигается самозатачивание деталей, изготовленных из биметалла.
    Одним из видов наиболее распространенного износостойкого биметалла является трехслойная сталь для отвалов плугов. С целью повышения эффективности ее применения и снижения себестоимости были проведены работы по разработке технологии производства трехслойной стали для отвалов плугов из слитков крупного развеса и непрерывнолитых слябов.
    Повышение износостойкости деталей проходческих и выемочных комбайнов, скребковых конвейеров, породопогрузочных и других машин также является весьма актуальной задачей. Сравнительные шахтные испытания различных деталей, изготовленных из разработанного ЦНИИчермет им. И. П. Бардина биметаллического износостойкого проката, показали, что долговечность этих деталей в 2 – 4 раза выше, чем у серийных.
    Мировой опыт и отечественная практика свидетельствуют, что биметаллы относятся к одному из наиболее перспективных направлений металлургического производства, предоставляющего поистине неограниченные возможности повышения потребительских характеристик традиционной металлопродукции.