Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия:

Н. Н. Довженко, профессор кафедры «Обработка металлов давлением»
И. Л. Константинов, доцент кафедры «Обработка металлов давлением», эл. почта: ilcon@mail.ru
С. Б. Сидельников, профессор, заведующий кафедрой «Обработка металлов давлением»

ООО «РУСАЛ ИТЦ», Красноярск, Россия:
Ю. О. Авдеев, менеджер проекта «Энергоэффективные конструкции электролизеров»

Разработан способ получения триметаллической заготовки, предназначенной для использования в качестве катодного стержня алюминиевого электролизера. Представлены результаты исследования параметров технологии соединения медной и стальной пластин через слой никеля. Для получения композиционного материала сталь – никель – медь соединяемые поверхности заготовок из стали Ст3, никеля НП2 и меди М1 шлифовали, обезжиривали ацетоном, собирали в пакет, который сжимали на гидравлическом прессе, что обеспечивало давление в зоне контакта металлов от 225 до 260 МПа. Пакет фиксировали в сжатом состоянии струбцинами и подвергали диффузионной сварке в печи при температуре 980±20 ^oС, выдержка 60 мин. В результате полученные пакеты могли подвергаться резке без разрушения с помощью отрезного диска перпендикулярно плоскости слоев. Изучение микроструктуры образца на растровом электронном микроскопе показало, что после диффузионной сварки между железом и никелем, а также между никелем и медью сформировались переходные слои. Глубина взаимной диффузии железа и никеля составила 25–30 мкм, а толщина переходного слоя между медью и никелем была ~40 мкм. Сопротивление срезу сварных швов триметалла после диффузионной сварки между сталью и никелем составило ~70 МПа, а между никелем и медью — 50 МПа. Испытания прочности слоев на разрыв показали, что разрушение происходило между слоями никеля и меди, а временное сопротивление на отрыв между слоями этих металлов составляло ~100 МПа. Для оценки адекватности результатов экспериментов в лабораторных условиях провели проверку возможности получения триметалла на крупногабаритных образцах с натуральными размерами сечения катодных стержней электролизеров. Размеры заготовок для пакета: сталь сечением 115230 мм и длиной 170 мм; медь сечением 12150 мм, длиной 160 мм; никель размерами 150160 мм и толщиной 0,5 мм. Металлографические исследования, а также испытания механических образцов, вырезанных из полученной заготовки, показали соответствие свойств и структуры сварного шва крупногабаритного композита результатам, полученным на модельных образцах.

Исследования были выполнены сотрудниками ООО «Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр» совместно с учеными Сибирского федерального университета в рамках федеральной целевой программы «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» по теме «Разработка технологии получения алюминия со снижением расхода электроэнергии на действующих электролизерах на 300–1000 кВт·ч/т алюминия» по соглашению № 14.579.21.0032 о предоставлении субсидии. Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57914X003.

1. Bleys M., Dezlet M., Lacroix M. Energy savings in aluminum electrolysis cells: effect of the cathode design // Light Metals. 2013. P. 627–631.
2. Gardon M., Goulet P., Beller R., Ziegler D., Fafard M. Optimization of the cathode collector bar with a copper insert using finite element method // Light Metalls. 2013. P. 621–626.
3. Mahmoud A., Mohamed M., Atlam A. Study of anodic voltage drop in aluminum reduction cell by finite element analysis // Journal of Engineering Research and Applications. 2016. Vol. 6, No. 1. P. 1–11.
4. Чувичилов В. А., Кузьмин С. В., Лысак В. И., Долгий Ю. Г., Кокорин А. В. Исследование структуры и свойств композиционных материалов, полученных по батарейной схеме сваркой взрывом // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. № 5 (65). C. 34–43.
5. Кузьмин С. В., Лысак В. И., Рыбин В. В., Пеев А. П. Особенности пластической деформации металла около шовной зоны при сварке взрывом разнородных металлов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. № 5 (65). С. 4–11.
6. Захаренко И. Д. Сварка металлов взрывом. — Минск : Наука и техника, 1990. — 205 с.
7. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. — М. : Металлургия, 1976. — 312 с.
8. Голованенко С. А. Сварка прокаткой биметаллов. — М. : Металлургия, 1977. — 160 с.

9. Ильченко Н. И., Диденко С. Ю., Неклюдов И. М., Бондаренко С. Л. Исследование методом горячей прокатки в вакууме слоистых и композиционных материалов типа сталь – медь и исследование их свойств // Вопросы атомной науки и техники. 2003. № 3. С. 158–160.
10. Зарапин Ю. Л., Чиченев Н. А., Чернилевская Н. Г. Производство композиционных материалов обработкой давлением. — М. : Металлургия, 1991. — 349 с.
11. Song J. S., Hong S. I., Park Y. G. Deformation processing and strength/conductivity properties of Cu – Fe – Ag microcomposites // Journal of Alloys and Compounds. 2005. Vol. 388. P. 69–75.
12. Stepanov N. D., Kuznetsov A. V., Salishchev G. A., Khlebova N. E., Pantsyrny V. I. Evolution of microstructure and mechanical properties in Cu – 14 % Fe alloy during severe cold rolling // Materials Science and Engineering: A. 2013. Vol. 564. P. 264–272.
13. Maa Liang Cai, Zhang Jian Min, Xu Ke Wei. Magnetic and electronic properties of Fe/Cu multilayered nanowires: a firstprinciples investigation // Physica E. 2013. Vol. 50. P. 1–5.
14. Grünberger W., Heilmaier M., Schultz L. Highstrength, high-nitrogen stainless steel – copper composite wires for conductors in pulsed high-field magnets // Materials Letters. 2002. Vol. 52, No. 3. P. 154–158.
15. Дидык Р. П., Козечко В. А. Формирование многослойных конструкций сваркой взрывом // Черные металлы. 2016. № 7. C. 66–70.
16. Вильден Й., Ян С., Милахин Н., Лун Т., Рефельдт Л., Гёке С.-Ф., Шмид Э., Бергер У. Перспективы и концепции сварки современных сталей // Черные металлы. 2011. № 3. C. 60–64.
17. Банных О. А., Будберг П. Б., Алисова С. П. и др. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. — М. : Металлургия, 1986. — 440 с.
18. Пат. 2593242 РФ. Способ получения биметаллической заготовки / Довженко Н. Н., Архипов Г. В., Сидельников С. Б. и др. ; заявл. 12.03.2015; опубл. 10.08.2016, Бюл. № 22.
19. Dovzhenko N. N., Arkhipov G. V., Sidelnikov S. B., Konstantinov I. L. Development and research of method of obtaining of bimetallic steel – copper billet for electrometallurgical purposes // Non-ferrous Metalls. 2015. № 2. P. 30–34.
20. Dovzhenko N. N., Arkhipov G. V., Sidelnikov S. B., Konstantinov I. L., Lopatina E. S., Feskov E. V., Voroshilov D. S. Obtaining bimetalling steel – copper billets for electrometallurgical purpose // XVI International scientific conference «New technologies and achievements in metallurgy, materials engineering and production engineering». A collective monograph edited by Henryk Radomiak, Jaroslaw Boryca, Series: Monografie № 48, Czestochowa 2015. P. 278–282.
21. ГОСТ 380–2005. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. — Введ. 2008–07–01.
22. ГОСТ 13083–77. Прутки из никеля и кремнистого никеля. Технические условия. — Введ. 1978–07–01.
23. ОСТ 5.9311–78. Сварка металлов взрывом. Биметаллические заготовки для трубных решеток теплообменных аппаратов. Общие технические требования. — Введ. 1980–01–01.
24. Счастливая И. А., Мулюков Р. Р., Лысак В. И., Кузьмин С. В., Иголкина Т. Н. Об основных принципах проектирования режимов сварки взрывом металлических слоистых композитов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. № 5 (65) С. 97–105.