СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2010 года по МПК B23K20/08 

Изобретение относится к технологии получения износостойких покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении пар трения, тормозных устройств и т.п.

Известен способ получения композиционного материала титан-железо, при котором предварительно составляют многослойный пакет из чередующихся пластин железа и титана с заданным соотношением толщин, сваркой взрывом, отжигом и последующей прокаткой получают композиционный многослойный тонколистовой материал железо-титан с соотношением толщин слоев 1:(2-4) при толщине слоя железа 8-15 мкм, после чего осуществляют дополнительный отжиг при температуре 800-900°С и выдержке 1-4 ч. Этим способом получают детали, предназначенные для работы при повышенных температурах. Помимо повышения жаропрочности в процессе операции отжига повышается также твердость и износостойкость поверхности материала (Патент РФ № 2003446, МПК 5 В23К 20/08; В23К 20/04, опубл. 30.11.93, бюл. № 43-44).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено диффузией железа и титана на всю толщину металлических слоев, что приводит к существенному повышению хрупкости материала, снижению стойкости к разрушению при изгибающих нагрузках, что весьма ограничивает технологические возможности использования данного способа при создании пар трения.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения плоских теплозащитных элементов с одно- и двусторонними интерметаллидными покрытиями на металлических поверхностях, в том числе на алюминии и магнии. Технология предусматривает одно- и двустороннее плакирование сваркой взрывом основного слоя металла другим металлом, высокотемпературную диффузионную термическую обработку сваренных взрывом двух- и трехслойных заготовок для формирования на границах раздела интерметаллидных слоев заданной толщины, а также удаление, например, травлением или иным способом оставшихся после термической обработки поверхностных слоев металла. Полученные по этому способу покрытия помимо высоких теплозащитных свойств обладают высокой твердостью и износостойкостью (Трыков Ю.П., Писарев С.П. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство. - 1998, № 6, с.34-35 - прототип).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено его малой производительностью - за один технологический цикл покрытие наносят лишь на одну пластину, а также наличием в технологическом процессе весьма трудоемкой операции удаления металла с поверхности интерметаллидного слоя. При удалении наружного металлического слоя методом травления или механической обработкой значительный объем металла идет в отходы. Кроме того, при удалении поверхностного металлического слоя механической обработкой, например шлифованием, на поверхности наблюдаются остатки металлического слоя с пониженной твердостью, а это весьма ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении тормозных устройств, пар трения и т.п.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа одновременного получения износостойких покрытий на алюминиевой и магниевой пластинах по новой технологической схеме формирования структуры в зоне сварки алюминия с магнием с последующим разделением сваренных заготовок методом прокатки с одновременным получением при этом на пластинах из алюминия и магния высокотвердых износостойких покрытий со стабильной толщиной и твердостью.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью сварки взрывом на оптимальных режимах и последующих термических и силовых воздействий на сваренную заготовку прокаткой, одновременное получение на алюминиевой и магниевой пластинах износостойких интерметаллидных покрытий со стабильной толщиной и твердостью, что позволяет экономить дорогостоящие металлы и создавать из полученных материалов экономически выгодные тормозные системы, пары трения и т.п.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения износостойких покрытий, при котором осуществляют сварку взрывом пластин из алюминия и магния, прокатку сваренной заготовки и последующую диффузионную термическую обработку для получения между металлическими слоями интерметаллидной диффузионной прослойки, соотношение толщин пластин из алюминия и магния выбирают равным 1:(0,67-3) при толщине пластины из алюминия равной 2-3 мм, сварку взрывом осуществляют при скорости детонации взрывчатого вещества 2250-3000 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества и сварочный зазор между свариваемыми пластинами выбирают такими, чтобы скорость соударения пластин была равной 540-650 м/с, затем сваренную заготовку подвергают горячей прокатке при температуре 390-430°C с суммарным обжатием 40-70% при разовых обжатиях за каждый проход, равных 8-10%, после чего полученную заготовку нагревают до температуры 410-430°С, выдерживают при этой температуре в течение 4-9 часов для образования в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки, затем заготовку охлаждают на воздухе и подвергают холодной прокатке с обжатием 2-4%, для отделения алюминиевого слоя от магниевого по диффузионной интерметаллидной прослойке, с формированием при этом на пластинах из алюминия и магния высокотвердых износостойких покрытий.

Новый способ получения износостойких покрытий имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по методам формирования покрытий на металлических поверхностях, так и по совокупности технологических приемов и режимов их получения. Так, предложено сварку взрывом пластины из алюминия с магниевой пластиной осуществлять при соотношении толщин пластин из алюминия и магния, равном 1:(0,67-3), при толщине пластины из алюминия, равной 2-3 мм, что создает благоприятные условия для получения качественного соединения металлических слоев, снижает вероятность образования трещин при сварке и последующей прокатке полученной заготовки. При толщине слоя алюминия менее 2 или более 3 мм и при соотношении толщин слоев алюминия и магния, выходящем за рекомендованные пределы, возможно образование трещин при последующей горячей прокатке сваренных заготовок.

Предложено сварку взрывом осуществлять при скорости детонации взрывчатого вещества 2250-3000 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества и сварочный зазор между слоями пакета выбирать такими, чтобы скорость соударения слоев была равной 540-650 м/с, что обеспечивает получение качественного сварного соединения между алюминием и магнием без недопустимого количества оплавов и других дефектов в зоне соединения металлических слоев, без неконтролируемых деформаций и трещинообразования, снижающих качество получаемых изделий и покрытий.

При скорости детонации ВВ и скорости соударения пластин ниже нижних предлагаемых пределов в зоне соединения алюминиевой и магниевой пластин возможно появление непроваров, что приводит к невозможности дальнейшего использования полученных заготовок. При скорости детонации ВВ и скорости соударения пластин выше верхних предлагаемых пределов в зоне соединения пластин возможно появление обширных оплавленных зон, которые могут привести к частичному расслоению металлических слоев при последующей прокатке, а это исключает возможность получения качественных износостойких покрытий на металлических поверхностях со стабильной толщиной.

Предложено сваренный пакет подвергать горячей прокатке при температуре 390-430°C с суммарным обжатием 40-70% при разовых обжатиях за каждый проход, равных 8-10%, что приводит к снижению амплитуды волн на границе соединения металлических слоев, возникающих при сварке взрывом, а это, в свою очередь, способствует повышению качества поверхностей наносимых покрытий, и, кроме того, горячая прокатка позволяет существенно увеличить длину и ширину заготовок, при этом в зоне соединения слоев происходит термодинамическая активация металла и, тем самым, создаются благоприятные условия для получения при последующем отжиге сплошной интерметаллидной прослойки с равномерной толщиной. Температура горячей прокатки менее 390°С является недостаточной, так как может приводить к трещинообразованию в металлических слоях из-за их недостаточной пластичности. Температура горячей прокатки более 430°С является избыточной, так как может приводить к снижению механических свойств металлических слоев.

Суммарное обжатие заготовки менее 40% является недостаточным для необходимого снижения амплитуды волн на границе соединения слоев, из-за чего возникает нестабильность толщины интерметаллидной прослойки, образующейся при последующем отжиге, а это, в свою очередь, может снизить качество получаемых износостойких покрытий. При суммарном обжатии заготовки более 70% возможно появление расслоений в зоне соединения металлов, а это снижает качество получаемых материалов. Разовые обжатия за каждый проход в пределах 8-10% обеспечивают получение заготовок после горячей прокатки без расслоений и трещин. Разовые обжатия менее 8% позволяют получать качественные заготовки, но экономически нецелесообразны, поскольку при этом снижается производительность процесса прокатки. Разовые обжатия более 10% могут приводить к появлению в заготовках трещин, а это делает дальнейшее их использование по назначению невозможным.

Предложено после горячей прокатки полученную заготовку нагревать до температуры 410-430°С, выдерживать при этой температуре в течение 4-9 часов для образования в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой диффузионной интерметаллидной прослойки требуемой толщины, а затем охлаждать ее на воздухе. При температуре и времени выдержки ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемой диффузионной интерметаллидной прослойки оказывается недостаточной, что снижает служебные свойства получаемых изделий. Температура и время выдержки выше верхних предлагаемых пределов являются избыточными, поскольку при этом может происходить заметное ухудшение механических свойств металлических слоев. Охлаждение на воздухе после термообработки обеспечивает отсутствие в диффузионной интерметаллидной прослойке полученной заготовки преждевременных очагов расслоений и появления других дефектов.

Предложено после термической обработки полученную заготовку подвергать холодной прокатке с обжатием 2-4% для отделения алюминиевого слоя от магниевого по диффузионной интерметаллидной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминия и магния высокотвердых износостойких покрытий. Обжатие при холодной прокатке менее 2% является недостаточным для полного отделения алюминиевого слоя от магниевого. Обжатие более 4% является избыточным, поскольку может приводить к нежелательному образованию поперечных трещин в интерметаллидном слое, а это ухудшает качество получаемых покрытий.

Предлагаемый способ получения износостойких покрытий осуществляется в следующей последовательности. Составляют пакет из предварительно очищенных от окислов и загрязнений пластин из алюминия и магния. Слои в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии технологического сварочного зазора, при этом соотношение толщин пластин из алюминия и магния в пакете выбирают равным 1:(0,67-3) при толщине пластины из алюминия, равной 2-3 мм. Укладывают полученный пакет на основание, размещенное на грунте. На поверхности пакета располагают контейнер с зарядом ВВ и осуществляют сварку взрывом с инициированием процесса детонации в заряде ВВ с помощью электродетонатора. Метаемая пластина в пакете из алюминия, а неподвижная - из магния. При сварке взрывом используют ВВ со скоростью детонации 2250-3000 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества и сварочный зазор между слоями пакета выбирают такими, чтобы скорость соударения пластин была равной 540-650 м/с. Затем сваренную заготовку подвергают горячей прокатке, например, на двухвалковом прокатном стане при температуре 390-430°C с суммарным обжатием 40-70% при разовых обжатиях за каждый проход, равных 8-10%. После горячей прокатки полученную заготовку подвергают термической обработке - отжигу: нагревают до температуры 410-430°С, например, в электропечи и выдерживают при этой температуре в течение 4-9 часов для образования в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной прослойки. Затем заготовку охлаждают на воздухе и подвергают холодной прокатке с обжатием 2-4% для отделения алюминиевого слоя от магниевого по интерметаллидной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминия и магния высокотвердых износостойких покрытий. После разделения пластин обрезают, например, на фрезерном станке их боковые кромки с краевыми эффектами.

В результате получают сразу две пластины из алюминия и магния со сплошными твердыми износостойкими интерметаллидными покрытиями. Толщина покрытия на алюминиевой пластине составляет около 60% средней толщины диффузионной интерметаллидной прослойки, составляющей 50-100 мкм, а на магниевой пластине - около 40%. Амплитуда волн на поверхности покрытий не превышает 190-330 мкм.

Пример 1 (см. таблицу, пример 1).

Берут пластины из алюминиевого сплава АМг6 и магниевого сплава МА2-1 и очищают их соединяемые поверхности от окислов и загрязнений.

Размеры пластины из АМг6: длина 300 мм, ширина 200 мм, толщина δ₁=3 мм. Данная пластина содержит на наружных плоских поверхностях плакирующие слои из алюминия АД1 толщиной δ_плак=0,15-0,2 мм. При сварке взрывом такая прослойка способствует получению прочного соединения между соединяемыми металлами. Другая наружная прослойка защищает поверхность АМг6 от коррозии. У пластины из МА2-1 длина и ширина такие же, но толщина δ₂=2 мм, при этом соотношение толщин δ₁:δ₂=0,67.

Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество со скоростью детонации D_ВВ=2250 м/с, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с кварцевым песком в соотношении 4:1 с насыпной плотностью ρ_ВВ=870-890 кг/м³. Взрывчатое вещество помещают в контейнер высотой H_ВВ=15 мм, длиной 340 мм, шириной 240 мм. Из предлагаемого диапазона выбираем необходимую для надежной сварки скорость соударения V_c=540 м/с. Для обеспечения такой скорости с помощью компьютерной технологии, с учетом указанных выше параметров ВВ и свариваемых пластин, определяем величину необходимого сварочного зазора. Его величина в данном случае равна: h=4 мм. Составляют пакет под сварку взрывом из пластин АМг6 и МА2-1 и укладывают его на основание из древесно-стружечной плиты, размещенное на песчаном грунте. Основание имеет длину 300 мм, ширину 200 мм, толщину 20 мм. На поверхность из АМг6 укладывают защитную прослойку толщиной 2 мм из высокоэластичного материала - резины, защищающую поверхность метаемой алюминиевой пластины от повреждений продуктами детонации взрывчатого вещества, а на ее поверхности располагают контейнер с зарядом взрывчатого вещества. Инициирование взрыва осуществляют с помощью электродетонатора. Направление детонации - вдоль свариваемого пакета.

После сварки взрывом металлических пластин средняя амплитуда волн в полученной композиционной заготовке А=0,55 мм. Горячую прокатку осуществляют, например, на двухвалковом прокатном стане, при температуре 390-410°C с суммарным обжатием 40% при разовых обжатиях за каждый из пяти проходов, равных 8%, что приводит к снижению амплитуды волн в зоне соединения слоев до величины: А_об=0,33 мм.

После горячей прокатки заготовку нагревают, например, в электропечи до температуры 410-415°С, дают выдержку τ_B=4 часа, что приводит к образованию в зоне соединения металлических пластин слоев интерметаллидной прослойки со средней толщиной 95-102 мкм. Охлаждение с температуры отжига осуществлялось на воздухе.

Холодную прокатку осуществляют с обжатием 2% для отделения алюминиевого слоя от магниевого по интерметаллидной прослойке с формированием при этом на обеих пластинах высокотвердых износостойких покрытий. Средняя толщина покрытия на пластине из АМг6 - 57-61 мкм, на МА2-1 - 38-41 мкм. Амплитуда волн на поверхности покрытий не превышает 0,33 мм, твердость поверхности покрытий на обеих пластинах одинаковая и равна: HV=5200-5500 МПа, что обеспечивает их высокую износостойкость в паре трения.

Пример 2 (см. таблицу, пример 2).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина метаемой пластины из алюминиевого сплава АМг6 δ₁=2,5 мм, а неподвижной из магниевого сплава МА2-1 - δ₂=4 мм, соотношение толщин слоев δ₁:δ₂=1:1,6. Толщина плакирующих слоев из алюминия АД1 на поверхности АМг6 δ_плак=0,18-0,22 мм. Взрывчатое вещество со скоростью детонации D_ВВ=2700 м/с, в качестве ВВ используют аммонит 6ЖВ, Н_ВВ=15 мм, сварочный зазор h=2,5 мм, скорость соударения пластин V_c=600 м/с. Амплитуда волн в зоне соединения металлов А=0,6 мм. Температура горячей прокатки t_пр=410-420°С, суммарное обжатие 54% при разовых обжатиях за каждый проход 9%, амплитуда волн после обжатия заготовки А_об=0,28 мм. Температура отжига t_от=410-420°С, время выдержки при отжиге τ_В=6 часов, толщина образовавшейся интерметаллидной прослойки между сваренными пластинами 120-125 мкм. Величина обжатия при последующей холодной прокатке 3%.

Результаты получения износостойких покрытий на металлических пластинах те же, что в примере 1, но толщина интерметаллидного покрытия на пластине из АМг6 - 72-75 мкм, а на МА2-1 - 48-50 мкм. Амплитуда волн на поверхности покрытий не превышает 0,28 мм.

Пример 3 (см. таблицу, пример 3).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина метаемой пластины из АМг6 δ₁=2 мм, а неподвижной из МА2-1 - δ₂=6 мм, соотношение толщин слоев δ₁:δ₂=1:3. D_ВВ=3000 м/с, Н_ВВ=30 мм, сварочный зазор h=0,5 мм, скорость соударения пластин V_c=650 м/с, амплитуда волн в зоне соединения А=0,63 мм. Температура горячей прокатки t_пр=420-430°С, суммарное обжатие 70% при разовых обжатиях за каждый проход 10%, амплитуда волн после обжатия А_об=0,19 мм. Температура отжига t_от=420-430°С, время выдержки τ_В=9 часов, толщина образовавшейся интерметаллидной прослойки между сваренными пластинами 150-154 мкм. Холодную прокатку осуществляют с обжатием 4%.

Результаты получения износостойких покрытий на металлических пластинах те же, что в примере 1, но толщина покрытия на пластине из АМг6 - 90-92 мкм, а на МА2-1 - 61-62 мкм. Амплитуда волн на поверхности покрытий не превышает 0,19 мм.

При получении покрытия на металлической пластине по прототипу (см. таблицу, пример 4) почти весь алюминиевый слой идет в отходы при его удалении с поверхности интерметаллидной прослойки. Толщина интерметаллидной прослойки оказывается большей, чем по предлагаемому способу, но на ее поверхности обнаруживаются участки из алюминия с пониженной твердостью, которые локализованы в углублениях интерметаллидного покрытия, что весьма ограничивает применение материала с полученным таким способом покрытием в парах трения, тормозных устройствах и т.п., поскольку остатки алюминиевого слоя снижают его служебные свойства при

повышенных контактных нагрузках. Кроме того, данный способ обладает малой производительностью, поскольку позволяет получать за один технологический цикл покрытие лишь на одной металлической пластине.

Изобретение может быть использовано при изготовлении пар трения, тормозных устройств и т.п. Составляют пакет из пластин из алюминия и магния с соотношением толщин 1:(0,67-3) при толщине пластины из алюминия, равной 2-3 мм. Сварку взрывом осуществляют при скорости детонации взрывчатого вещества 2250-3000 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества и сварочный зазор между свариваемыми пластинами выбирают из условия получения скорости соударения пластин, равной 540-650 м/с. Затем сваренную заготовку подвергают горячей прокатке при температуре 390-430°C с суммарным обжатием 40-70% при разовых обжатиях за каждый проход 8-10%. Полученную заготовку нагревают до температуры 410-430°С и выдерживают при этой температуре в течение 4-9 часов для образования в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки. Заготовку охлаждают на воздухе и подвергают холодной прокатке с обжатием 2-4% для отделения алюминиевого слоя от магниевого по диффузионной интерметаллидной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминия и магния высокотвердых износостойких покрытий. За один технологический цикл на алюминиевой и магниевой пластинах одновременно получают износостойкие интерметаллидные покрытия со стабильной толщиной и твердостью. 1 табл.

Способ получения износостойких покрытий, при котором осуществляют сварку взрывом пластин из алюминия и магния, прокатку сваренной заготовки и последующую диффузионную термическую обработку для получения между металлическими слоями интерметаллидной диффузионной прослойки, отличающийся тем, что соотношение толщин пластин из алюминия и магния при толщине пластины из алюминия, равной 2-3 мм, выбирают равным 1:(0,67-3), сварку взрывом осуществляют при скорости детонации взрывчатого вещества 2250-3000 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества и сварочный зазор между свариваемыми пластинами выбирают из условия скорости соударения пластин, равной 540-650 м/с, затем сваренную заготовку подвергают горячей прокатке при температуре 390-430°C с суммарным обжатием 40-70% при разовых обжатиях за каждый проход, равных 8-10%, после чего полученную заготовку нагревают до температуры 410-430°С, выдерживают при этой температуре в течение 4-9 ч для образования в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки, а затем заготовку охлаждают на воздухе и подвергают холодной прокатке с обжатием 2-4% для отделения алюминиевого слоя от магниевого по диффузионной интерметаллидной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминия и магния высокотвердых износостойких покрытий.