Способ получения композиционного материала из меди, титана и стали Российский патент 2019 года по МПК B23K20/08 B32B15/01 

Изобретение относится к технологии получения износостойких материалов с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано, в частности, при изготовлении пар трения в виде тормозных устройств и т.п., предназначенных для эксплуатации в условиях неагрессивных сред.

Известен способ получения композиционного материала титан-сталь, обладающего повышенным термическим сопротивлением в поперечном направлении, а также высокой стойкостью к разрушению в условиях изгибающих нагрузок, который может быть также использован и в качестве износостойкого материала в случае расположения его слоев перпендикулярно или с наклоном относительно трущегося объекта, при этом величина его допускаемого износа велика и может достигать 70-80% его размера в направлении изнашивания. В этом способе составляют трехслойный пакет с размещением между пластинами титана стальной пластины с соотношением толщин слоев 1:(0,33-0,4) при толщине слоя стали 2-4 мм, сварку взрывом осуществляют при отношении удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме удельных масс титанового и стального слоя, равном 1,92-2,29, и скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2150-2400 м/с, последующую горячую прокатку сваренного трехслойного пакета проводят с обжатием 64-87% при температуре 680-720°С, производят разделку пакета на мерные трехслойные заготовки, из которых составляют многослойный пакет под сварку взрывом, осуществляют сварку взрывом при отношении удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме удельных масс метаемых слоев многослойного пакета, равном 0,79-1,03, и скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2150-3100 м/с, затем производят дополнительную горячую прокатку сваренного многослойного пакета при температуре 680-720°С с обжатием 90-98%, после чего проводят отжиг при температуре 700-800°С в течение 0,1-0,75 ч с последующим охлаждением на воздухе (патент РФ №2293004, МПК В23К 20/08, В32В 7/04, опубл. 10.02.2007, бюл. №4).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено возможностью получения по этому способу композиционных материалов толщиной до 3 мм с интерметаллидными прослойками, толщина которых не превышает 0,01 мм (10 мкм). При использовании таких материалов в парах трения скорость их изнашивания (отношение величины износа ко времени изнашивания) оказывается весьма высокой, а это крайне ограничивает возможные области применения таких материалов в парах трения.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционного материала титан-сталь. При реализации этого способа получают пятислойные заготовки из чередующихся слоев коррозионно-стойкой стали и титана, размещенных из условия сварки в последующей многослойной заготовке стальных слоев между собой, с соотношением толщин слоев стали и титана 1:(0,8-1) при толщине каждого слоя стали 2-3 мм путем сварки взрывом каждой из них при скорости детонации взрывчатого вещества (ВВ) 2400-2750 м/с, причем высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между слоями при сварке каждой пятислойной заготовки выбирают из условия получения скоростей соударения слоев между собой в пределах 470-670 м/с, после чего производят горячую прокатку сваренных пятислойных заготовок при температуре 720-740°С с обжатием 75-84%, затем получают две многослойные заготовки из 6-8 полученных пятислойных заготовок путем сварки взрывом каждой из них при скорости детонации ВВ 2400-3100 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между пяти-слойными заготовками при сварке каждой из двух многослойных заготовок выбирают из условия получения скоростей соударения их между собой в пределах 440-610 м/с, а многослойный пакет составляют затем из двух полученных многослойных заготовок, которые соединяют сваркой взрывом при скорости детонации ВВ 2400-3100 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между свариваемыми многослойными заготовками выбирают из условия получения скорости соударения их между собой в пределах 370-470 м/с, а отжиг сваренного многослойного пакета производят при температуре 900-1000°С в течение 1-7 ч. В результате получают композиционный материал титан-сталь, содержащий до 48 слоев коррозионно-стойкой стали, до 32 слоев титана и до 64 сплошных интерметаллидных прослоек толщиной 0,2-0,3 мм, расположенных между стальными и титановыми слоями. Полученный материал обладает высокой коррозионной стойкостью и величиной допускаемого износа в условиях длительной эксплуатации в агрессивных средах, а также низкой скоростью изнашивания при использовании контртел из сталей. (Патент РФ №2463141, МПК В23К 20/08, В32В 7/04, В32В 15/01, опубл. 10.10.2012, бюл. №28 - прототип).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено недостаточно высокой теплопроводностью всех металлических слоев у получаемого этим способом материала, что приводит при его использовании в тяжело нагруженных тормозных устройствах к перегреву выше допустимой температуры зоны его контакта с контртелом, например из стали, из-за недостаточно высокой скорости охлаждения указанной зоны, что, в свою очередь, может приводить к существенному росту скорости его изнашивания, а также к сокращению срока службы контртел, например, в виде стальных тормозных дисков, валов и т.п. В условиях эксплуатации такого материала в условиях неагрессивных сред применение в нем слоев из коррозионно-стойкой стали, обладающей к тому же еще и недостаточно высокой теплопроводностью нецелесообразно, поскольку это способствует повышению стоимости изделий из этого материала, а также недостаточно быстрому охлаждению зоны его контакта с контртелом и ускоренному износу как самого материала, так и контртела. Кроме того, толщина такого материала оказалась недостаточной при создании ряда технических устройств.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционного материала из меди, титана и стали с большей, чем у материала по прототипу толщиной, с повышенной теплопроводностью

в сравнении с прототипом части его металлических слоев, с более высокой скоростью охлаждения зоны его контакта с контртелом, например, из стали, и, благодаря этому, снижению скорости его изнашивания не менее, чем в 1,2-1,5 раза, с большой величиной допускаемого износа, не изменяющего своих служебных свойств даже после значительного износа рабочей поверхности при длительной эксплуатации в условиях неагрессивных сред.

Техническим результатом заявленного способа является создание нового технологического цикла, обеспечивающего получение многослойного износостойкого композиционного материала из меди, титана и низкоуглеродистой стали с значительно большей, чем у прототипа толщиной, с повышенной теплопроводностью, в сравнении с прототипом, части его металлических слоев с более высокой скоростью охлаждения зоны его контакта с контртелом, например из стали, и, благодаря этому, снижению скорости его изнашивания не менее, чем в 1,2-1,5 раза, с большой величиной допускаемого износа, не изменяющего своих служебных свойств даже после значительного износа рабочей поверхности при длительной эксплуатации в условиях неагрессивных сред.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения композиционного материала из меди, титана и стали, включающем составление пятислойных пакетов, каждый из которых содержит чередующиеся слои медь - низкоуглеродистая сталь - титан - низкоуглеродистая сталь - медь при толщине каждого слоя стали и меди 2-3 мм и соотношении толщин слоев стали и титана 1:(0,8-1), проведение сварки взрывом при скорости детонации взрывчатого вещества (ВВ) 2420-2730 м/с с получением пятислойных заготовок, причем высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между слоями выбирают из условия получения скоростей соударения медных слоев со слоями из низкоуглеродистой стали в пределах 340-420 м/с и скоростей соударения последних с титановым слоем в пределах 425-520 м/с, после чего проводят горячую прокатку

полученных пятислойных заготовок при температуре 720-740°С с обжатием 75-84%, затем составляют три многослойных пакета, каждый из которых состоит из 6-8 полученных пятислойных заготовок, и осуществляют сварку взрывом каждого из них при скорости детонации ВВ 2400-2900 м/с с получением многослойных заготовок, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между пятислойными заготовками при сварке многослойного пакета выбирают из условия получения скоростей их соударения в пределах 315-440 м/с и соединения медных слоев между собой, после чего три полученные многослойные заготовки располагают параллельно друг другу с одинаковыми сварочными зазорами, с двух сторон полученного многослойного пакета размещают одинаковые заряды ВВ и соединяют упомянутые заготовки между собой сваркой взрывом при скорости детонации ВВ 2150-2420 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между свариваемыми многослойными заготовками выбирают из условия получения скорости соударения их медных слоев между собой в пределах 210-310 м/с, а затем проводят отжиг сваренной многослойной заготовки при температуре 900-1000°С в течение 1-7 ч для формирования на границах раздела сваренных между собой слоев из титана и стали сплошных интерметаллидных прослоек и охлаждают полученный композиционный материал на воздухе.

Новый способ получения композиционного материала из меди, титана и стали имеет существенные отличия по сравнению с прототипом, как по строению и свойствам полученного материала, так и по совокупности технологических приемов воздействия на свариваемые пакеты и режимов осуществления способа. Так предложено составлять пятислойные пакеты, каждый из которых содержит чередующиеся слои медь - низкоуглеродистая сталь - титан - низкоуглеродистая сталь - медь при толщине каждого слоя стали и меди 2-3 мм и соотношении толщин слоев стали и титана 1:(0,8-1). Использование слоев из меди и низкоуглеродистой стали, обладающих значительно большей теплопроводностью, чем у коррозионностойкой стали, используемой в

материалах по прототипу, позволяет весьма существенно повысить в сравнении с прототипом скорость охлаждения зоны контакта предлагаемого материала с контртелом из стали и, тем самым, существенно снизить скорость его изнашивания. Толщина каждого слоя меди в пятислойных пакетах менее 2 мм приводит к недостаточно высокой скорости охлаждения зоны контакта предлагаемого материала с контртелом, и по этой причине к повышению скорости его изнашивания. Толщина этих слоев более 3 мм является избыточной, поскольку это приводит к значительному увеличению скорости изнашивания предлагаемого материала при его использовании в тормозных устройствах. Толщина каждого слоя из низкоуглеродистой стали, равная 2-3 мм облегчает при соблюдении предлагаемых режимов сварки взрывом получение качественных сварных соединений в зонах контакта металлических слоев, обеспечивает минимальный расход дорогостоящего титана на единицу массы изделия. Толщина каждого слоя стали более 3 мм и соотношение толщин слоев стали и титана выше верхнего предлагаемого предела приводит к повышению скорости изнашивания получаемого материала. При толщине каждого слоя стали менее 2 мм и соотношении толщин слоев стали и титана ниже нижнего предлагаемого предела возможно повышение хрупкости получаемого материала, что приводит к невозможности его использования в парах трения.

Предложено проводить сварку взрывом пятислойных пакетов при скорости детонации взрывчатого вещества (ВВ) 2420-2730 м/с с получением пятислойных заготовок, причем высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между слоями выбирать из условия получения скоростей соударения медных слоев со слоями из низкоуглеродистой стали в пределах 340-420 м/с и скоростей соударения последних с титановым слоем в пределах 425-520 м/с, что обеспечивает качественную сварку всех металлических слоев в пакетах без нарушений сплошности и неконтролируемых деформаций. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения между металлическими слоями в каждой заготовке выше или ниже предлагаемых пределов может происходить

снижение прочностных свойств получаемого материала, либо возможно появление непроваров в зонах соединения слоев, что может привести к невозможности дальнейшего использования сваренных заготовок.

Горячая прокатка полученных пятислойных заготовок из меди, титана и стали на предлагаемых режимах приводит к увеличению их длины и ширины с одновременным уменьшением толщины медных, стальных и титановых слоев до оптимальных размеров. При температуре горячей прокатки ниже 720°С в титановых слоях возможно появление микротрещин, а при температуре прокатки выше 740° возрастают непроизводительные энергетические затраты на получение продукции. Обжатие сваренных пятислойных заготовок менее 75% приводит к повышению скорости изнашивания получаемого материале в парах трения. Обжатие заготовок более 84% может приводить к повышению хрупкости получаемого материала в условиях циклических нагрузок.

Предложено после горячей прокатки составлять три многослойных пакета, каждый из которых состоит из 6-8 полученных пятислойных заготовок, и осуществлять сварку взрывом каждого из них при скорости детонации ВВ 2400-2900 м/с с получением многослойных заготовок, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между пятислойными заготовками при сварке многослойного пакета выбирать из условия получения скоростей их соударения в пределах 315-440 м/с и соединения медных слоев между собой, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений между всеми свариваемыми заготовками и формированию при отжиге необходимого для повышенной износостойкости количества интерметаллидных прослоек. Благодаря оптимальному расположению медных слоев в свариваемых пакетах, свариваются между собой на данном этапе лишь однородные медные слои, что способствует получению сварных соединений высокого качества при менее интенсивных скоростных режимах, чем при получении материалов по прототипу, а это способствует повышению качества получаемого материала. Получение трех многослойных заготовок создает необходимые условия для получения материала с значительно большей толщиной, чем у материала по прототипу.

Предложено сварку взрывом каждой из трех многослойных заготовок осуществлять при скорости детонации ВВ 2400-2900 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между прокатанными пятислойными заготовками из меди, титана и низкоуглеродистой стали в каждом многослойном пакете выбирать из условия получения скоростей соударения их между собой в пределах 315-440 м/с, что обеспечивает получение качественных сварных соединений между всеми свариваемыми медными слоями. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения ниже нижнего предлагаемого предела возможно появление непроваров в зонах соединения свариваемых заготовок, что снижает качество получаемого материала. Скорость детонации ВВ и скорости соударения пятислойных заготовок выше верхнего предлагаемого предела может привести к неконтролируемым деформациям каждой получаемой многослойной заготовки и к повышенному расходу ВВ в расчете на одно изделие.

Предложено три полученные многослойные заготовки располагать параллельно друг другу с одинаковыми сварочными зазорами, с двух сторон полученного многослойного пакета размещать одинаковые заряды ВВ и соединять упомянутые заготовки между собой сваркой взрывом при скорости детонации ВВ 2150-2420 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между свариваемыми многослойными заготовками выбирать из условия получения скорости соударения их медных слоев между собой в пределах 210-310 м/с, что обеспечивает возможность получения композиционного материала значительно большей толщины, чем у материала по прототипу, а также осуществления качественной сварки заготовок между собой. При скорости детонации зарядов ВВ и скорости соударения многослойных заготовок между собой выше или ниже предлагаемых пределов снижается качество получаемого материала из-за появления неконтролируемых деформаций металлических слоев с нарушениями их сплошности, либо из-за появления непроваров в зонах соединения медных слоев.

Отжиг сваренной многослойной заготовки из меди, титана и стали на предлагаемых режимах с последующим охлаждением на воздухе обеспечивает пониженную скорость изнашивания получаемого материала и его высокую долговечность в парах трения. При температурно-временных режимах отжига, выходящих

за предлагаемые пределы, либо снижается долговечность получаемого материала в парах трения, либо у него повышается вероятность хрупкого разрушения при его дальнейшей эксплуатации в парах трения в условиях циклических нагрузок.

Предлагаемый способ получения композиционного материала из меди, титана и стали осуществляется в следующей последовательности. Очищают от окислов и загрязнений слои меди, титана и низкоуглеродистой стали, из которых составляют пятислойные пакеты под сварку взрывом из чередующихся слоев: медь - низкоуглеродистая сталь - титан - низкоуглеродистая сталь - медь с соотношением толщин слоев стали и титана 1:(0,8-1) при толщине каждого слоя меди и низкоуглеродистой стали 2-3 мм. Слои в пятислойных пакетах располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных технологических зазоров. Укладывают полученные пятислойные пакеты на плоские основания, размещенные на грунте. На поверхности каждого пакета располагают защитную прослойку из высокоэластичного материала, защищающую поверхность верхнего медного слоя от повреждений продуктами детонации ВВ, а на ее поверхности размещают контейнер с зарядом ВВ со скоростью детонации 2420-2730 м/с и осуществляют сварку взрывом с инициированием процесса детонации в каждом заряде ВВ также, как при последующих операциях сварки взрывом, с помощью электродетонатора и вспомогательного заряда ВВ, формирующего в каждом основном заряде ВВ фронт детонации, близкий к плоскому. При этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между слоями в каждом пакете выбирают из условия получения скоростей соударения их медных слоев со слоями из низкоуглеродистой стали в пределах 340-420 м/с и скоростей соударения последних с титановым слоем в пределах 425-520 м/с. Затем сваренные пятислойные заготовки подвергают горячей прокатке при температуре 720-740°С с обжатием 75-84%, после чего обрезают боковые кромки с краевыми эффектами, очищают свариваемые поверхности от окислов и загрязнений, затем составляют три многослойных пакета под сварку взрывом, содержащих 6-8 прокатанных пятислойных заготовок, при этом указанные заготовки в каждом пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров. Укладывают

полученные многослойные пакеты на плоские основания, размещенные на грунте. На поверхности каждого пакета располагают защитную прослойку из высокоэластичного материала и контейнер с зарядом ВВ со скоростью детонации 2400-2900 м/с и осуществляют сварку взрывом, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между прокатанными пятислойными заготовками в каждом пакете выбирают из условия получения скоростей соударения их медных слоев при сварке взрывом в пределах 315-440 м/с.

После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами полученные три многослойные заготовки соединяют сваркой взрывом. На фиг. 1 изображена схема сварки взрывом многослойного пакета из трех полученных многослойных заготовок из меди, титана и стали (вид сбоку), на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1. Очищают от окислов и загрязнений поверхности свариваемых многослойных заготовок и составляют многослойный пакет и под сварку взрывом из трех полученных многослойных заготовок 1, 2, 3, которые располагают параллельно друг другу с одинаковыми сварочными зазорами с помощью упоров 4, 5. На поверхности каждой многослойной заготовки 1, 3 размещают защитные прослойки из высокоэластичного материала - резины 6, 7, защищающие поверхности наружных медных слоев свариваемых заготовок от повреждений при детонации зарядов взрывчатого вещества. Располагают с двух сторон полученного пакета контейнеры с одинаковыми зарядами взрывчатого вещества 8, 9 со скоростью детонации 2150-2420 м/с с генераторами плоской детонационной волны 10, 11. Высоту каждого заряда взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между свариваемыми многослойными заготовками выбирают с помощью компьютерных технологий из условия получения скорости соударения их медных слоев между собой в пределах 210-310 м/с. Полученную сборку устанавливают вертикально на грунте 12. Сварку взрывом осуществляют с одновременным инициированием в зарядах взрывчатого вещества процесса детонации с помощью электродетонатора 13 и двух детонирующих шнуров 14, 15 равной длины и генераторов плоской детонационной волны 10, 11.

После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами у сваренного многослойного пакета производят его отжиг в электропечи при температуре 900-1000°С в течение 1-7 ч для формирования между слоями низкоуглеродистой стали и титана сплошных интерметаллидных прослоек, после чего охлаждают полученный композиционный материал из меди, титана и стали на воздухе. В результате получают композиционный материал из меди, титана и стали, содержащий от 36 до 48 слоев меди, такого же количества слоев низкоуглеродистой стали и сплошных интерметаллидных прослоек, расположенных между стальными и титановыми слоями, а также от 18 до 24 слоев титана. Суммарное количество слоев в таком материале от 126 до 168, его толщина от 41,4 до 60 мм.

Благодаря повышенной теплопроводности медных и стальных слоев из низкоуглеродистой стали полученный материал при его эксплуатации в парах трения обеспечивает в сравнении с прототипом более высокую скорость охлаждения зоны его контакта с контртелом, например из стали 45, что способствует снижению скорости его изнашивания в 1,2-1,5 раза, при этом материал по предлагаемому способу не изменяет своих служебных свойств даже после значительного износа его рабочей поверхности и длительной эксплуатации в условиях неагрессивных сред, как и материал по прототипу, он обладает повышенной величиной допускаемого износа.

Пример 1 (см. таблицу, опыт 1).

Очищают от окислов и загрязнений слои из меди марки M1, низкоуглеродистой стали 08 и титана марки ВТ1-0, из которых составляют три пятислойных пакета под сварку взрывом. Слои в пакетах располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров. Порядок чередования слоев в каждом пакете: медь M1 - низкоуглеродистая сталь 08 - титан ВТ1-0 - низкоуглеродистая сталь 08 - медь M1. Длина у всех металлических слоев - 520 мм, ширина - 320 мм. Толщина медных слоев δ_Cu=2 мм, стальных - δ_ст=2 мм, титановых - δ_Ti=2 мм. Соотношение толщин слоев низкоуглеродистой стали и титана в пакетах одинаковое: δ_ст:δ_Ti = 1:1. Укладывают полученные пакеты на плоские основания из древесно-стружечной плиты толщиной 20 мм, размещенные на грунте. Длина и ширина этих оснований соответствует длине и ширине металлических слоев. При сборке пакетов предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h₁-h₄, где h₁ - зазор между первым (верхним) и следующим за ним вторым слоем, h₂ - между вторым и третьим слоем и т.д. Для сварки взрывом пакетов выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2730 м/с.Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Взрывчатое вещество помещают в контейнеры с обеспечением высоты заряда ВВ Н_вв=80 мм, длиной 540 мм, шириной 340 мм и располагают их на поверхности каждого пакета. Предварительно на поверхности каждого пакета располагают защитную прослойку из высокоэластичного материала - резины толщиной 2 мм, защищающую поверхность верхнего медного слоя от повреждений продуктами детонации ВВ. Для получения в пакетах скоростей соударения металлических слоев между собой в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h₁=1 мм, h₂=6,5 мм, h₃=2 мм, h₄=1,5 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах пакетов: V₁=420 м/с, V₂=520 м/с, V₃=470 м/с, V₄=390 м/с, где V₁ - скорость соударения верхнего медного слоя со слоем из низкоуглеродистой стали, V₂ - скорость соударения слоя из низкоуглеродистой стали с титановым слоем, - скорость соударения титанового слоя с расположенным ниже слоем из низкоуглеродистой стали, V₄ - скорость соударения слоя из низкоуглеродистой стали с медным слоем.

После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами сваренные пятислойные заготовки длиной 500 мм, шириной 300 мм подвергают горячей прокатке при температуре 720°С с обжатием 75% с последующей их разделкой (резкой) на мерные заготовки длиной 300 мм, шириной 220 мм, толщиной 2,5 мм. После этого составляют три многослойных пакета под сварку взрывом, содержащих по восемь прокатанных пятислойных заготовок в каждом. Предварительно свариваемые поверхности очищают от окислов и загрязнений, при этом пятислойные заготовки в каждом пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров. Укладывают полученные пакеты на плоские основания из древесно-стружечной плиты толщиной 20 мм, размещенные на грунте. Длина и ширина этих оснований соответствует длине и ширине пятислойных заготовок. При сборке пакетов предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров , где - зазор между первой (верхней) и следующей за ней второй прокатанной пятислойной заготовкой, - между второй и третьей заготовками и т.д. Для сварки взрывом пакетов выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2400 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. На каждый пакет укладывают защитную прослойку из резины толщиной 2 мм и размещают контейнер с зарядом ВВ длиной 320 мм, шириной 240 мм. Высота заряда ВВ Н_вв=150 мм. Для получения скоростей соударения между собой металлических слоев в пакетах в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: , , , , , , , что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах пакетов:, , , , где - скорость соударения первой прокатанной пятислойной заготовки со второй, - второй с третьей и т.д. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в зарядах ВВ с помощью электродетонаторов и вспомогательных зарядов ВВ, создающих в основных зарядах ВВ фронты детонации, близкие к плоским.

После правки сваренных многослойных заготовок на гидравлическом прессе и обрезки боковых кромок с краевыми эффектами длина каждой из них 280 мм, ширина 200 мм, толщина 20 мм. Полученные многослойные заготовки соединяют сваркой взрывом. Для этого очищают от окислов и загрязнений поверхности свариваемых многослойных заготовок и составляют многослойный пакет и под сварку взрывом из трех полученных многослойных заготовок, которые с помощью упоров, например, из алюминия, располагают параллельно друг другу с одинаковыми сварочными зазорами, рассчитанными с помощью компьютерной технологии. На поверхности каждой многослойной заготовки размещают защитные прослойки из высокоэластичного материала - резины толщиной 2 мм, защищающие поверхности наружных медных слоев свариваемых заготовок от повреждений при детонации зарядов ВВ. Располагают с двух сторон полученного пакета контейнеры с одинаковыми зарядами ВВ с генераторами плоской детонационной волны. Состав ВВ: смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. Высота каждого заряда Н_вв=100 мм, скорость их детонации D_ВВ=2150 м/с, сварочные зазоры между свариваемыми многослойными заготовками одинаковые и равны 4 мм каждый, что обеспечивает скорости соударения медных слоев многослойных заготовок между собой - 210 м/с. Полученную сборку устанавливают вертикально на песчаном грунте. Сварку взрывом осуществляют с одновременным инициированием в зарядах ВВ процесса детонации с помощью электродетонатора, двух детонирующих шнуров равной длины и генераторов плоской детонационной волны.

После правки сваренной многослойной заготовки на гидравлическом прессе и обрезки боковых кромок с краевыми эффектами на ее поверхности наносят удаляемую технологическую обмазку для защиты от воздействия воздушной атмосферы, например смесь жидкого стекла с оксидом хрома, размещают ее в электропечи и производят отжиг при температуре 900°С в течение 7 ч для формирования между слоями низкоуглеродистой стали и титана сплошных интерметаллидных прослоек, после чего охлаждают полученный композиционный материал на воздухе.

В результате получают многослойный композиционный материал из меди, титана и стали в виде пластины толщиной 60 мм, что в 1,5 раза больше, чем у материала по прототипу, длиной 260 мм, шириной 180 мм, содержащий 48 слоев из меди M1, 48 слоев из низкоуглеродистой стали 08, 24 слоя из титана ВТ1-0 и 48 сплошных интерметаллидных прослойки с толщиной каждой из них около 0,3 мм, расположенных между стальными и титановыми слоями. Общее количество слоев в материале - 168. Полученный материал при его эксплуатации в парах трения обеспечивает в сравнении с прототипом более высокую скорость охлаждения зоны его контакта с контртелом, например из стали 45, в 3-4,5 раза при возникающих температурах в зоне контакта в диапазоне от 500 до 900°С, что способствует снижению скорости изнашивания полученного материала в сравнении с прототипом в 1,4-1,5 раза, при этом материал по предлагаемому способу не изменяет своих служебных свойств даже после значительного износа его рабочей поверхности и длительной эксплуатации в условиях неагрессивных сред, как и материал по прототипу, он обладает повышенной величиной допускаемого износа.

Пример 2 (см. таблицу, опыт 2).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Длина у всех металлических слоев - 420 мм, ширина - 320 мм. Толщина медных и стальных слоев δ_Cu=2,5 мм, титановых - δ_Ti=2,2 мм. Соотношение толщин слоев δ_ст:δ_Ti = 1:0,9. Для сварки взрывом пакетов используем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2600 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, представляющее собой смесь из 25% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 75% аммиачной селитры. Высота каждого заряда ВВ Н_вв=150 мм, длина - 440 мм, ширина - 340 мм. При выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h₁=h₃=h₄=1 мм, h₂=5,5 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах пакетов: V₁=400 м/с, V₂=490 м/с, V₃=450 м/с, V₄=370 м/с. После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами сваренные пятислойные заготовки длиной 400 мм, шириной 300 подвергают горячей прокатке при температуре 730°С с обжатием 80% и с последующей их разделкой (резкой) на мерные заготовки длиной 300 мм, шириной 260 мм, толщиной 2,4 мм. После этого составляют три многослойных пакета под сварку взрывом, содержащих семь прокатанных пятислойных заготовок в каждом. Укладывают полученные пакеты на плоские основания из древесно-стружечной плиты длиной 300 мм, шириной 260 мм. Для сварки взрывом пакетов выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2600 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 25% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 75% аммиачной селитры. Длина каждого контейнера с зарядом ВВ длиной 320 мм, шириной 280 мм. Высота зарядов ВВ Н_вв=150 мм. Для получения скоростей соударения между собой медных слоев в пакетах в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: , , , , , , что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах пакетов: , , . После правки сваренных многослойных заготовок на гидравлическом прессе и обрезки боковых кромок с краевыми эффектами длина каждой из них - 280 мм, ширина - 240 мм, толщина - 17,1 мм.

Для сварки взрывом многослойных заготовок выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2320 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 25% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 75% аммиачной селитры. Контейнеры с зарядами ВВ имеют длину 300 мм, ширину - 260 мм. Высота каждого заряда ВВ Н_вв=80 мм. При выбранных параметрах зарядов ВВ, величина каждого сварочного зазора равна 6 мм, что обеспечивает скорость соударения многослойных заготовок при сварке взрывом V=250 м/с. После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами сваренные многослойные заготовки подвергают отжигу при температуре 950°С в течение 2,5 ч.

В результате получают композиционный материал из меди, титана и стали в виде пластины длиной - 260 мм, шириной - 220 мм, толщиной 51,2 мм (что в 1,3-2 раза больше, чем у материала по прототипу), содержащий 42 слоя из меди M1, 42 слоя из низкоуглеродистой стали 08, 21 слой из титана ВТ1-0 и 42 сплошные интерметаллидные прослойки с толщиной каждой из них около 0,25 мм. Общее количество слоев в материале - 147. Скорость изнашивания у полученного материала в контакте с контртелом из стали 45 в 1,3-1,4 раза ниже, чем у материала по прототипу.

Пример 3 (см. таблицу, опыт 3).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Длина у всех металлических слоев - 360 мм, ширина - 290 мм. Толщина медных и стальных слоев δ_Cu=δ_ст=3 мм, титановых - δ_Ti=2,4 мм. Соотношение толщин слоев δ_ст:δ_Ti = 1:0,8. Укладывают полученные пакеты на плоские основания из древесно-стружечной плиты, размещенные на грунте. Для сварки взрывом пакетов используем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2420 м/с. Такую скорость обеспечивает ВВ, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. Высота каждого заряда ВВ Н_вв=150 мм, длина - 380 мм, ширина - 310 мм. При выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: h₁=h₄=1 мм, h₂=6 мм, h₃=1,5 мм, что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах пакетов: V₁=345 м/с, V₂=460 м/с, V₃=425 м/с, V₄=340 м/с. После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами сваренные пятислойные заготовки длиной 340 мм, шириной 270 подвергают горячей прокатке при температуре 740°С с обжатием 84% и с последующей их разделкой (резкой) на мерные заготовки длиной 340 мм, шириной 270 мм, толщиной 2,3 мм. После этого составляют три многослойных пакета под сварку взрывом, содержащих шесть прокатанных пятислойных заготовок в каждом. Для сварки взрывом пакетов выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2900 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Длина каждого контейнера с зарядом ВВ - 360 мм, ширина - 290 мм. Высота зарядов ВВ Н_вв=100 мм. Для получения скоростей соударения между собой медных слоев в пакетах в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах зарядов ВВ, величины сварочных зазоров равны: , , , , , что обеспечивает скорости соударения слоев при сварке взрывом на соответствующих межслойных границах пакетов: , , . После правки сваренных многослойных заготовок на гидравлическом прессе и обрезки боковых кромок с краевыми эффектами длина каждой из них - 320 мм, ширина - 250 мм, толщина - 13,8 мм.

Для сварки взрывом многослойных заготовок выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_вв=2420 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры.

Контейнеры с зарядами ВВ имеют длину 340 мм, ширину - 270 мм. Высота каждого заряда ВВ Н_вв=150 мм. При выбранных параметрах заряда ВВ, величина каждого сварочного зазора равна 5 мм, что обеспечивает скорость соударения медных слоев многослойных заготовок при сварке взрывом V=310 м/с. После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами сваренные многослойные заготовки имеют длину - 300 мм, ширину - 230 мм, толщину - 27,6 мм. Отжиг сваренной многослойной заготовки производят при температуре 1000°С в течение 1 ч.

В результате получают многослойный композиционный материал из меди, титана и низкоуглеродистой стали в виде пластины длиной - 300 мм, шириной - 230 мм, толщиной 41,4 мм (что в 1,03-1,6 раза больше, чем у материала по прототипу), содержащий 36 слоев из меди M1, 36 слоев из низкоуглеродистой стали 08, 18 слоев из титана ВТ1-0 и 36 сплошных интерметаллидных прослоек с толщиной каждой из них около 0,2 мм. Общее количество слоев в материале - 126. Скорость изнашивания у полученного материала в контакте с контртелом из стали 45 в 1,2-1,3 раза ниже, чем у материала по прототипу.

При получении композиционного материала по прототипу (см. таблицу, опыт 4) получают многослойный композиционный материал титан-сталь с толщиной от 24,6 до 40 мм, что в 1,03-1,5 раза меньше, чем у материала по предлагаемому способу. Он содержит от 36 до 48 слоев коррозионно-стойкой стали, от 24 до 32 слоев титана, от 48 до 64 сплошных интерметаллидных прослоек толщиной 0,2-0,3 мм, расположенных между стальными и титановыми слоями. При его эксплуатации в парах трения из-за отсутствия в составе такого материала слоев с высокой теплопроводностью скорость охлаждения зоны его контакта с контртелом из стали 45 при возникающих температурах в зоне контакта в диапазоне от 500 до 900°С в 3-4,5 раза ниже, чем у материала по предлагаемому способу, что приводит к увеличению скорости его изнашивания в сравнении с материалом по предлагаемому способу в 1,2-1,5 раза.

Изобретение может быть использовано при получении износостойких материалов с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ), в частности, при изготовлении пар трения в виде тормозных устройств, предназначенных для эксплуатации в условиях неагрессивных сред. Получают пятислойные заготовки с чередованием слоев медь - низкоуглеродистая сталь - титан - низкоуглеродистая сталь - медь, размещенных из условия последующей сварки взрывом в многослойном пакете медных слоев между собой. Толщина каждого слоя меди составляет 2-3 мм. После горячей прокатки сваренных пятислойных заготовок получают три многослойные заготовки, каждая из которых состоит из 6-8 полученных пятислойных заготовок из меди, титана и стали, путем сварки взрывом каждой из них. Составляют многослойный пакет из трех полученных многослойных заготовок из меди, титана и стали и осуществляют его сварку взрывом с помощью двух симметрично расположенных относительно его зарядов ВВ. После сварки взрывом производят отжиг сваренного многослойного пакета. Способ обеспечивает получение многослойного композиционного материала из меди, титана и стали с большей толщиной и более низкой скоростью изнашивания при длительной эксплуатации в условиях неагрессивных сред. 1 табл., 3 пр.

Способ получения композиционного материала из меди, титана и стали, включающий составление пятислойных пакетов, каждый из которых содержит чередующиеся слои медь - низкоуглеродистая сталь - титан - низкоуглеродистая сталь - медь при толщине каждого слоя стали и меди 2-3 мм и соотношении толщин слоев стали и титана 1:(0,8-1), проведение сварки взрывом при скорости детонации взрывчатого вещества (ВВ) 2420-2730 м/с с получением пятислойных заготовок, причем высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между слоями выбирают из условия получения скоростей соударения медных слоев со слоями из низкоуглеродистой стали в пределах 340-420 м/с и скоростей соударения последних с титановым слоем в пределах 425-520 м/с, после чего проводят горячую прокатку полученных пятислойных заготовок при температуре 720-740°С с обжатием 75-84%, затем составляют три многослойных пакета, каждый из которых состоит из 6-8 полученных пятислойных заготовок, и осуществляют сварку взрывом каждого из них при скорости детонации ВВ 2400-2900 м/с с получением многослойных заготовок, при этом высоту заряда ВВ и сварочные зазоры между пятислойными заготовками при сварке многослойного пакета выбирают из условия получения скоростей их соударения в пределах 315-440 м/с и соединения медных слоев между собой, после чего три полученные многослойные заготовки располагают параллельно друг другу с одинаковыми сварочными зазорами, с двух сторон полученного многослойного пакета размещают одинаковые заряды ВВ и соединяют упомянутые заготовки между собой сваркой взрывом при скорости детонации ВВ 2150-2420 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между свариваемыми многослойными заготовками выбирают из условия получения скорости соударения их медных слоев между собой в пределах 210-310 м/с, а затем проводят отжиг сваренной многослойной заготовки при температуре 900-1000°С в течение 1-7 ч для формирования на границах раздела сваренных между собой слоев из титана и стали сплошных интерметаллидных прослоек и охлаждают полученный композиционный материал на воздухе.