ПОЛУЧЕНИЕ ПРОКАТКОЙ НАНОРАЗМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ ИЗ СТАЛИ.

Улучшение различных физико-механических свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формирования микро- и нанокристаллической структуры открывает широкие возможности для получения уникальных конструкционных материалов со специальными физическими свойствами. В связи с этим большие перспективы по применению в различных отраслях промышленности получили многослойные материалы. Многослойный металл отличает от сплава двух или нескольких различных металлов то, что в нем сохраняются специфические индивидуальные свойства составляющих металлов. Значительная технико-экономическая эффективность использования многослойных металлов обусловлена тем, что, за счет определенного сочетания различных металлов или сплавов в пакете удается объединить нужные эксплуатационные свойства его компонентов, а в ряде случаев получить специфические свойства, которыми не обладают отдельно взятые металлы.

Данная работа проведена с целью изучения возможности прокатки многослойных стальных пакетов и влияния различных факторов на механические свойства и структуру прокатанного многослойного пакета. Прокатку осуществляют со степенью обжатия 30-40% до требуемых толщин заготовки. Полученные заготовки комплектуются в новый пакет и вновь подвергаются прокатке. Процесс комплектования деформированных заготовок в пакеты и их прокатка выполняется до получения слоистого полуфабриката с требуемым количеством слоев и их толщин.

Так для изготовления слоистого полуфабриката листа из Ст.20 использовали пластины стали толщиной 2 мм, с предварительной очисткой контактирующих поверхностей, из которых вначале комплектовали пакеты по 6 пластин в каждом. Пакеты скрепляли по периметру и нагревали под прокатку до температуры 1050°С в защитной атмосфере во избежание окисления. Прокатывали до размера пакета 2 мм за 5 проходов с промежуточными подогревами в течение 15 мин до температуры прокатки. Последующие пакеты комплектовали из деформированных пакетов предыдущей прокатки после рекристаллизационного и консолидирующего отжига. Процесс повторяли вновь до получения слоистого полуфабриката листа. Так поэтапно получали 36 слоёв, 216 микрослоёв, 1296 субмикрослоёв, 14400 нанослоёв, и далее уже 72000 субнанослоёв. Полученные толщины каждого слоя при такой схеме прокатки представлены в таблице:

Кол-во слоев	1	6	36	216	1296	14400	72000
Толщина одного слоя	2 мм	330 мкм	42 мкм	5,3 мкм	650 нм	40 нм	7 Å

В процессе нагрева в восстановительной атмосфере в твердом карбюризаторе происходит диффузия углерода в сталь, его распределение по пластине неоднородно. При совместной прокатке пакета, состоящего из таких пластин, возможно получить материал с переменной концентрацией углерода по толщине и обладающий за счет этого уникальными свойствами. Распределение углерода в стальной пластине толщиной 2 мм с начальной концентрацией углерода 0.2% за время нагрева неоднородно - максимальная концентрация углерода наблюдается в поверхностных слоях пакета, минимальная – в его центральной части. Полученные средние концентрации углерода в многослойном образце представлены в таблице:

Кол-во слоев	1	6	36	216	1296	14400	72000
Концентрация углерода (сред.)	0,195	0,355	0,413	0,496	0,638	0,793	0,962

В пакете, состоящем из 36 и более слоев, наблюдается выравнивание концентрации углерода после нагрева, вследствие диффузии углерода вглубь пластины и уменьшения толщины каждого слоя. Неоднородность распределения углерода по пластине хорошо видна при анализе микроструктуры образцов. Было выявлено, что в пакете из 36 слоев наблюдается различие структуры по слоям (рис. 2).

В пакете, состоящем из 216 слоев, подобных различий микроструктуры по слоям уже не наблюдается, что говорит о выравнивании концентрации углерода по всей толщине образца (рис. 3). Аналогичная картина характерна и для пакета, состоящего из 1296 слоев и более.

а б в

Рис. 2. Микроструктура пакета из 36 слоев: а - х250; б, в - х1000.

а б в

Рис. 3. Микроструктура пакета из: а) 216 слоев (х250); б) 1296 субмикрослоёв (х1000); 14400 субнанослоёв (х1000)

Анализ микроструктуры показывает большое количество цементита. Прокатка стального слитка, нагретого до 1050°С вызывала измельчение аустенитных зёрен и выделение цементита из раствора в виде мелких равномерно распределённых частиц, а не грубой сетки, т.к. во время прокатки слиток постепенно охлаждался с переходом через фазу аустенит + цементит. Такие сверхвысокоуглеродистые стали имеют при комнатной температуре более высокие показатели прочности и вязкости, чем обычные стали, применяемые в машиностроении. Механические испытания плоских образцов по ГОСТ 1497, изготовленных из исходной пластины и многослойных пакетов, показали прирост предела текучести в 2- 2,5 раза, а предела прочности в 1,5-1,7 раза.

Внедрение используемого способа прокатки позволяет получать слоистые полуфабрикаты с заданными свойствами, с любым количеством слоев и их толщин промышленным способом на действующем стандартном оборудовании.