СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ С КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛЬЮ Российский патент 2009 года по МПК B23K23/00 B23K1/00 B23K35/32 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в машиностроении, а именно в инструментальном производстве, в частности, для изготовления металлообрабатывающих инструментов.

Известен способ соединения материалов, заключающийся в том, что материалы вводят в контакт друг с другом непосредственно или через металлическую прослойку, поместив их в сварочную вакуумную камеру, и осуществляют диффузионную сварку в этой камере путем прогрева соединяемых материалов до заданной температуры, сдавливания и выдержки при необходимых режимах температуры, давления и глубины вакуума (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов./ Н.Ф.Казаков - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1976. - С.122-141).

Основными недостатками этого способа, ограничивающими возможность применения, являются значительная трудоемкость его осуществления, связанная со сложностью аппаратурного оформления, и высокая стоимость получения неразъемного соединения вследствие повышенных затрат электроэнергии.

Известен способ получения неразъемного соединения материалов, включающий размещение в зазоре между соединяемыми материалами слоя порошкообразных компонентов толщиной 0,1-0,5 мм и инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в режиме теплового взрыва. В зазоре между соединяемыми материалами размещают гетерогенную смесь в виде порошкообразных редкоземельных металлов IV, V групп Периодической системы, в частности, тугоплавкого металла ниобий, и неметалла, в частности, углерода, в стехиометрическом соотношении. Для инициирования реакции СВС применяют нагрев соединяемых материалов и помещенного между ними слоя порошкообразных компонентов, с предварительным сжатием усилием 10-30 кг до получения электрического контакта, путем пропускания через них электрического тока от сварочного трансформатора, способствующего прогреву слоя порошкообразных компонентов и прилегающих к ней поверхностей, соединяемых материалов. Нагрев проводят со скоростью, обеспечивающей самовоспламенение слоя порошкообразных компонентов при температуре выше критической температуры теплового взрыва (Авт. свид. SU 747661, М. кл.² В23К 28/00, 1/00). Способ получения неразъемного соединения материалов, как наиболее близкий к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату, выбран в качестве прототипа.

Однако осуществление описанного способа требует повышенной трудоемкости, так как для проведения реакции СВС в режиме теплового взрыва необходима высокопрочная оснастка. Кроме того, данный способ обладает ограниченными возможностями использования и не достаточно экономичен вследствие высокой стоимости ингредиентов, составляющих порошковую смесь для образования сварного шва.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения трудоемкости осуществления способа вследствие обеспечения отсутствия жестких требований к прочности оснастки, расширения возможности использования и повышения экономичности путем снижения стоимости ингредиентов, составляющих порошковую смесь для образования сварного шва.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения неразъемного соединения легированной стали с конструкционной сталью, включающем размещение в зазоре между соединяемыми материалами слоя порошкообразных компонентов и инициирование реакции СВС, согласно изобретению в зазоре между подложкой из конструкционной стали и пластинкой из легированной стали размещают слой шихты толщиной 2-3 мм, содержащей, мас.%:

легированная сталь78-80карбид титана15-16борид хрома2-3алюминий2-3,

и инициируют реакцию СВС в режиме кипения нагревом в вакуумной печи до температуры 1200-1300°С. При этом в зоне соединения подложки из конструкционной стали и пластинки из легированной стали получают сварной шов.

Технологическая возможность осуществления получения сварного шва обусловлена соединением легированной стали, из которой изготовлена пластинка с конструкционной сталью, из которой изготовлена подложка, при достаточной прочности этого соединения, проведением реакции СВС с помощью нагрева в вакуумной печи до температуры начала реакции СВС 1200-1300°С при снижении стоимости исходных материалов.

Получение сварного шва прочностью до 200 МПа обусловлено образованием в реакционной зоне при плавлении по предложенному способу интерметаллического соединения с твердостью до 63 HRC, которое за счет высоких смачивающих и диффузионных свойств борида хрома и высокой температуры реакции СВС образует однородный, диффузионный со сталями сварной шов.

Толщина слоя шихты, составляющая 2-3 мм, является оптимальной, так как достаточна для выделения тепловой энергии, необходимой для оплавления соединяемых материалов. Толщина слоя шихты, составляющая менее 2 мм, недостаточна для выделения тепловой энергии, а при толщине слоя шихты, составляющей более 3 мм, при осуществлении реакции СВС слой шихты будет вытекать из зазора между подложкой и пластинкой.

Количество в шихте для образования сварного шва легированной стали, составляющее 78-80 мас.%, является оптимальным, так как повышает теплостойкость и температуру плавления для поддержания СВС-процесса. При использовании легированной стали в количестве менее 78 мас.% не достигается необходимая температура плавления остальных компонентов и теплостойкость сплава, а при использовании легированной стали в количестве более 80 мас.% снижаются доли содержания других ингредиентов, что приводит к ухудшению качественных свойств сварного шва.

Количество карбида титана, составляющее 15-16 мас.%, является оптимальным, так как обеспечивает высокую твердость сплава - до 63 HRC. При содержании карбида титана менее 15 мас.% твердость сварного шва снижается, а при его содержании более 16 мас.% реакция СВС не возникает.

Количество борида хрома, составляющее 2-3 мас.%, является оптимальным, так как благодаря высоким диффузионным свойствам обеспечивает однородность в зоне шва и прочность соединения. При содержании борида титана менее 2 мас.% соединение из-за неоднородности материала в зоне шва не обладает высокой прочностью, а при содержании борида титана более 3 мас.% твердость сварного шва снижается.

Количество алюминия, составляющее 2-3 мас.%, является оптимальным для получения необходимой температуры плавления легирующих добавок. При содержании алюминия меньше 2 мас.% снижается температура реакции СВС, а при содержании алюминия более 3 мас.% снижается прочность сварного шва.

Способ получения неразъемного соединения легированной стали с конструкционной сталью осуществляется следующим образом. Производят дозирование и смешивание в смесителе порошков легированной стали в количестве 78-80 мас.%, карбида титана в количестве 15-16 мас.%, борида хрома в количестве 2-3 мас.%, алюминия в количестве 2-3 мас.%, представляющих шихту для получения неразъемного соединения легированной стали с конструкционной сталью. На поверхность подложки из конструкционной стали насыпают приготовленный слой шихты толщиной 2-3 мм. Сверху размещают пластинку из легированной стали. Полученный образец загружают в вакуумную печь и инициируют реакцию СВС в режиме кипения нагревом в вакуумной печи до температуры 1200-1300°С. В зоне соединения подложки из конструкционной стали и пластинки из легированной стали получают сварной шов.

Пример конкретного выполнения способа получения неразъемного соединения легированной стали с конструкционной сталью. Для экспериментальной проверки предложенного технического решения использовали порошки легированной стали 6Х3ФС, карбида титана, борида хрома и алюминия, фракцию которых задавали проходом через сито 0,1 мм. В качестве соединяемых материалов использовались легированная сталь 6Х3ФС и конструкционная сталь - сталь 40. Порошки дозировались в заданном соотношении на аналитических весах с точностью до 0,001 г, механически смешивались всухую в атмосфере воздуха в смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение 4 часов. Полученные образцы шихты слоем 2-3 мм насыпали на подложку из конструкционной стали (сталь 40) и сверху размещали пластинку из легированной стали (сталь 6Х3ФС), загружали в вакуумную печь и инициировали реакцию СВС в режиме кипения нагревом в вакуумной печи до температуры 1200-1300°С. Под действием тепла экзотермической реакции происходило плавление шихты и образование соединения пластинки из легированной стали с подложкой. Получали неразъемное соединение легированной стали и конструкционной стали в виде сварного шва с твердостью до 63 HRC и с прочностью до 200 МПа.

Таким образом, неразъемное соединение легированной стали, из которой изготовлена пластинка с конструкционной сталью, из которой изготовлена подложка, по предложенному способу, имеет достаточную прочность без использования дорогостоящих редкоземельных металлов и высокопрочной оснастки. При этом обеспечиваются свойства неразъемного соединения легированной стали с конструкционной сталью, необходимые для изготовления металлообрабатывающего инструмента - твердость, вязкость и теплостойкость.

Изобретение может быть использовано в инструментальном производстве, в частности для изготовления металлообрабатывающих инструментов. Размещают в зазоре между соединяемыми подложкой из конструкционной стали и пластинкой из легированной стали слой порошкообразных компонентов толщиной 2-3 мм и инициируют реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в режиме кипения нагревом в вакуумной печи до температуры 1200-1300°С. Используют шихту, содержащую, мас.%: легированную сталь 8-80; карбид титана 15-16; борид хрома 2-3; алюминий 2-3. В зоне соединения подложки из конструкционной стали и пластинки из легированной стали получают сварной шов. Существенно снижается трудоемкость осуществления способа за счет отсутствия жестких требований к прочности оснастки, повышается экономичность из-за снижения стоимости ингредиентов, составляющих порошковую смесь для образования сварного шва.

Способ получения неразъемного соединения легированной стали с конструкционной сталью, включающий размещение в зазоре между соединяемыми материалами слоя порошкообразных компонентов и инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), отличающийся тем, что в зазоре между подложкой из конструкционной стали и пластинкой из легированной стали размещают слой шихты толщиной 2-3 мм, содержащей, мас.%:

легированная сталь78-80карбид титана15-16борид хрома2-3алюминий2-3

и инициируют реакцию СВС в режиме кипения нагревом в вакуумной печи до температуры 1200-1300°С, при этом в зоне соединения подложки из конструкционной стали и пластинки из легированной стали получают сварной шов.