В биметаллическом материале сочетаются эксплуатационные свойства, которые невозможно получить в отдельном составляющем композит компоненте: например, высокая прочность с повышенной антифрикционностью и др. заданными специальными физико-технологическими свойствами. В данной работе рассматривается вариант консолидации (печной сварки) изделий из антифрикционного биметалла, состоящего из стальной основы и плакирующего макрогетерогенного композита антифрикционного назначения      [1-4]. Температурно-кинетические режимы нагрева, затвердевания и охлаждения заготовок при печной наплавке должны обеспечивать получение оптимальной микроструктуры слоев, стабильность свойств компонентов и минимум литейных дефектов в готовом изделии.

Были изучены особенности строения границ сцепления слоев биметаллов на основе стали с плакирующим слоем из монометалла (латунь), и из композита – ЛКМ на основе латунной матрицы.

В полость графитовой формы по центру устанавливали стальной стержень диаметром 20 мм, поверхность которого была предварительно очищена, обезжирена и обсыпана бурой. Форму со стержнем поместили в печь, нагрели до 1000 °С и выдержали при этой температуре 20 мин (образец №3д). Во втором варианте, пространство, образовавшееся между стержнем и формой, заполнили стальной дробью диаметром 1,0…1,5 мм, которую предварительно очистили, обезжирили и обсыпали бурой и флюсом. Форму со стержнем и дробью также нагрели в печи до 1000 °С и выдержали 20 мин (образец №1д). Последующие технологические приемы были однотипными. Нагретую форму извлекали из печи, сверху устанавливали латунную бобышку, и в сборе помещали в печь и нагревали до 1050 °С. Выдержка при этой температуре составляла 1 час. При этом расплавившаяся латунь заполняла пространство между стержнем и стенками формы (образец №3д) или поры между дробинками пористой насадки (образец №1д). После извлечения из печи формы с полученным биметаллом сталь – латунь и сталь – ЛКМ охлаждались на воздухе до комнатной температуры.

Металлографическим анализом было установлено, что рядом с переходным слоем и в стали и в медном сплаве (латуни и матрице ЛКМ), имеются зоны взаимодействия металлов. Ширина их разная, в зависимости от выбранного металла плакировки. Например, в стальном стержне плакирующего слоя образца 3д ширина зоны взаимодействия составляет 25…30 мкм, в образце 1д – 125 мкм. Варьирует ширина зоны взаимодействия в плакирующем цветном металле. В латуни изменение структуры выражается в том, что происходит уменьшение количества α-фазы, она как бы теряет четкость своих границ (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктуры границы соединения биметалла: а – «сталь-латунь»;   б – «сталь – ЛКМ»

Сравнение результатов проведенных исследований для двух образцов биметаллов показало:Объяснение этого явления было получено в результате исследований, проведенных методом микрорентгеноспектрального анализа. Было установлено, что в указанных областях компонентов биметаллов происходит встречная диффузия элементов сплава стали и латуни (плакирующего слоя) или латунной матрицы ЛКМ. Установили, что из медного сплава в металл стального стержня диффундирует медь, цинк, олово. Из стали стержня – в металл плакировки зафиксирована диффузия железа и марганца. Обогащение зон взаимодействия перечисленными элементами приводит к изменению структуры латуни, матричного сплава ЛКМ и снижению их микротвердости.

1. В случае использования в качестве плакирующего слоя ЛКМ в сравнении с монолатунью возрастает ширина переходного слоя, а также зон взаимодействия металлов, располагающихся в стали стержня и в плакировке. Это косвенно свидетельствует о различной интенсивности растворно-диффузионного взаимодействия стали с матричным сплавом ЛКМ в сравнении с монолатунью, что создает более плотный контакт сплавляемых в биметалл компонентов. В то же время, на границе соединения стального стержня с латунью образовалась микротрещина, имеющая различную, изменяющуюся ширину.

2. Установили более плавное изменение в результате встречной диффузии содержания элементов (Fe, Cu, Zn, Si, Mn, Sn), при переходе сталь – зона взаимодействия – ЛКМ по сравнению с переходом сталь – зона взаимодействия – латунь и, как следствие, более плавное изменение структуры слоев, что подтверждают данные микрорентгеноспектрального анализа и изменения микротвердости фаз по указанным линиям переходов от стали к плакирующим слоям.

3. Наличие на границе плотного соединения материалов сталь + латунь и образование трещины по всей длине границы сталь + латунь обусловлено возникновением напряжений растяжения на границе в результате взаимодействия слоев разнородных компонентов биметалла в процессе твердожидкофазного совмещения материалов, а также тем, что уровень остаточных напряжений в пограничных слоях биметалла сталь + ЛКМ существенно ниже, чем на границе сталь + латунь (вследствие разницы КЛТР: α латуни > αЛКМ) и рассредоточения напряжений в гетерофазном ЛКМ медный сплав + стальные гранулы.