RU2350442C2 - Method of wear-resistant coating receiving - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: explosion welding of plate made of titanium with steel plate is implemented in modes, providing waves amplitude in area of metals connection, equal to 0.18-0.37 mm. Process is implemented with impact velocity of welded plates, equal to 440-650 m/s, and strictly regulated blasting material velocity of detonation. Welded blank is heated till the temperature 900-950°C and kept at this temperature in vacuum furnace for 10-14 hours till formation of highly consistent intermetalloid diffusive interlayer of thickness 160-300 mcm in formed with explosion welding wave-like area of connection of titanium and steel. After blank cooling with furnace it is additionally heated till the temperature 930-950°C and kept with this temperature for 3-8 minutes. Then blank is cooled down in water for separation of titanium for steel by diffusive interlayer with forming on titanium and steel highly consistent wear-resistant coating with regular wavy surface.

EFFECT: simultaneous receiving on titanium and steel plates of wear-resistant intermetalloid coatings with regular wavy surface and with specified surface roughness amplitude.

1 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения износостойких покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении систем противоскольжения, тормозных устройств и т.п.The invention relates to a technology for producing wear-resistant coatings on metals using the energy of explosives (BB) and can be used in the manufacture of anti-skid systems, braking devices, etc.

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. Данным 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).A known method of producing a titanium-iron composite material, in which a multilayer package of alternating plates of iron and titanium with a given ratio of thicknesses, explosion welding, annealing and subsequent rolling is preliminarily prepared, a composite multilayer iron-titanium sheet material with a layer thickness ratio of 1: (2- 4) when the thickness of the iron layer is 8-15 microns, after which additional annealing is carried out at a temperature of 800-900 ° C and a holding time of 1-4 hours. In this way, parts intended for operation with increased temperatures. In addition to increasing the heat resistance during the annealing operation, the hardness and wear resistance of the material surface also increase. (RF patent No. 20033446, IPC 5 V23K 20/08; V23K 20/04, publ. 30.11.93, Bull. No. 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.This method has a low technical level, due to the diffusion of iron and titanium over the entire thickness of the metal layers, which leads to a significant increase in the brittleness of the material, a decrease in fracture resistance under bending loads, which greatly limits the technological possibilities of using this method to create friction pairs.

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 титане и стали. 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).The closest in technical level and the achieved result is a method for producing flat heat-shielding elements with one- and two-sided intermetallic coatings on metal surfaces, including titanium and steel. The technology provides for one- and two-sided cladding by explosion welding of the base metal layer by another metal, high-temperature diffusion heat treatment of explosion-welded two- and three-layer blanks to form intermetallic layers of a given thickness at the interfaces, as well as removal, for example, by etching or otherwise, remaining after heat treatment surface layers of metal. The coatings obtained by this method, in addition to high heat-shielding properties, have high hardness and wear resistance. (Trykov Yu.P., Pisarev S.P. Production of heat-exchange composite elements using explosive technologies / Welding production. - 1998, No. 6, p. 34-35 - prototype).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено наличием в технологическом процессе весьма трудоемкой операции удаления металла с поверхности интерметаллидного слоя. Метод травления применим лишь к металлам с повышенной химической активностью, а при удалении поверхностного металлического слоя механической обработкой, например шлифованием, на поверхности наблюдаются остатки металлического слоя с пониженной твердостью, кроме того, поверхность изделия с покрытием получается гладкой, неразвитой, что ограничивает технологические возможности применения данного способа в тормозных системах, системах противоскольжения и т.п.This method has a low technical level, which is due to the presence in the process of a very laborious operation of removing metal from the surface of the intermetallic layer. The etching method is applicable only to metals with increased chemical activity, and when the surface metal layer is removed by machining, for example grinding, the surface remains metal layer with reduced hardness, in addition, the surface of the coated product is smooth, undeveloped, which limits the technological possibilities of application of this method in brake systems, anti-skid systems, etc.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа одновременного нанесения износостойких покрытий на титановой и стальной пластинах по новой технологической схеме формирования структуры в зоне сварки титана со сталью с последующим разделением сваренных заготовок с получением при этом на титане и стали высокотвердых износостойких покрытий с регулярной волнообразной поверхностью.In this regard, the most important task is to create a new method for the simultaneous application of wear-resistant coatings on titanium and steel plates according to a new technological scheme for the formation of a structure in the zone of welding of titanium with steel, followed by separation of the welded workpieces with the formation of high-hardness wear-resistant coatings with regular wave-like on titanium and steel surface.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью энергии взрывчатых веществ и последующих термических воздействий на сваренную заготовку одновременное получение на титановой и стальной пластинах износостойких интерметаллидных покрытий с регулярной волнообразной поверхностью с заданной амплитудой шероховатостей поверхности, что позволяет создавать из полученных материалов высокоэффективные тормозные системы, системы противоскольжения и т.п.The technical result of the claimed method is the creation of a new technology that provides the energy of explosives and subsequent thermal effects on the welded billet to simultaneously obtain on titanium and steel plates wear-resistant intermetallic coatings with a regular wave-like surface with a given amplitude of surface roughness, which makes it possible to create highly effective brake materials from the resulting materials systems, anti-skid systems, etc.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения износостойких покрытий, при котором осуществляют сварку взрывом пластин титана и стали, а затем проводят высокотемпературную диффузионную термическую обработку сваренной заготовки для формирования на границах раздела металлов интерметаллидного слоя заданной толщины, согласно изобретению сварку взрывом пластины из титана со стальной пластиной осуществляют на режимах, обеспечивающих амплитуду волн А в зоне соединения металлов, равную 0,18-0,37 мм, при этом процесс ведут при скорости соударения свариваемых пластин, равной 440-650 м/с, и скорости детонации взрывчатого вещества, определяемой из соотношения:The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed method for producing wear-resistant coatings, in which the explosion welding of titanium and steel plates is carried out, and then high-temperature diffusion heat treatment of the welded workpiece is carried out to form an intermetallic layer of a given thickness at the metal interfaces, according to the invention, explosion welding of a plate of titanium with a steel plate is carried out in modes that ensure the amplitude of the waves And in the zone of metal joining, equal to 0.18-0.37 mm, when process is carried out at a collision speed of welded plates, equal to 440-650 m / s, and the velocity of detonation of the explosive, is determined from the relationship:

где δ₁ и ρ₁ - толщина и плотность метаемой пластины, соответственно,where δ ₁ and ρ ₁ are the thickness and density of the missile plate, respectively,

δ₂ и ρ₂ - неподвижной, V_c - скорость соударения пластин, D - скорость детонации взрывчатого вещества, затем сваренную заготовку нагревают до температуры 900-950°С и выдерживают при этой температуре в вакуумной печи 10-14 часов до образования в сформированной при сварке взрывом волнообразной зоне соединения титана и стали высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной 160-300 мкм, после этого заготовку охлаждают вместе с печью, а затем нагревают до температуры 930-950°С, выдерживают при этой температуре 3-8 минут, а затем охлаждают в воде для отделения титана от стали по диффузионной прослойке с формированием при этом на титане и стали высокотвердых износостойких покрытий с регулярной волнообразной поверхностью.δ ₂ and ρ ₂ - stationary, V _c - collision speed of the plates, D - detonation velocity of the explosive, then the welded billet is heated to a temperature of 900-950 ° C and kept at this temperature in a vacuum oven for 10-14 hours until it is formed in explosion welding of the undulating zone of the connection of titanium and steel of a high-hardness intermetallic diffusion interlayer with a thickness of 160-300 microns, after which the billet is cooled together with the furnace, and then heated to a temperature of 930-950 ° C, kept at this temperature for 3-8 minutes, and then cooled in waters titanium separation from the steel by diffusion to form the interlayer while on titanium and steel of very hard wear-resistant coatings with a regular undulating surface.

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 титана со стальной пластиной осуществлять на режимах, обеспечивающих амплитуду волн в зоне соединения металлов, равную 0,18-0,37 мм, что обеспечивает необходимые начальные условия для формирования волнообразной поверхности получаемых покрытий. При амплитуде волн в зоне соединения металлов ниже нижнего предела величина шероховатости поверхности полученных покрытий оказывается недостаточной и способ не будет иметь явных преимуществ в сравнении с прототипом. При амплитуде волн выше верхнего предела в стадии разделения металлических пластин на их поверхностях могут возникать покрытия с недостаточно регулярной поверхностью.A new method for producing wear-resistant coatings has significant differences compared with the prototype, both in terms of the methods of forming coatings on metal surfaces and in the combination of technological methods and modes of their production. Thus, it was proposed that explosion welding of a titanium plate with a steel plate be carried out in modes that ensure the wave amplitude in the metal joining zone equal to 0.18-0.37 mm, which provides the necessary initial conditions for the formation of a wavy surface of the resulting coatings. When the amplitude of the waves in the zone of connection of metals below the lower limit, the surface roughness of the resulting coatings is insufficient and the method will not have obvious advantages compared with the prototype. When the wave amplitude is above the upper limit in the stage of separation of metal plates on their surfaces, coatings with an insufficiently regular surface can occur.

Предложено процесс получения покрытия вести при скорости соударения свариваемых пластин, равной 440-650 м/с, и скорости детонации взрывчатого вещества, определяемой из соотношения:The process of obtaining a coating is proposed at a speed of collision of the welded plates equal to 440-650 m / s, and the detonation velocity of the explosive, determined from the ratio:

где δ₁ и ρ₁ - толщина и плотность метаемой пластины, соответственно,where δ ₁ and ρ ₁ are the thickness and density of the missile plate, respectively,

δ₂ и ρ₂ - неподвижной, V_c - скорость соударения пластин, D - скорость детонации взрывчатого вещества, что обеспечивает надежную сварку взрывом титана со сталью и формирует при этом волнообразную зону соединения металлов с заданной амплитудой волн. При скорости соударения свариваемых пластин ниже нижнего предела и при выборе заряда взрывчатого вещества не в соответствии с предложенным соотношением амплитуда волн в зоне соединения оказывается недостаточной и получаемые покрытия не будут обладать достаточно развитой поверхностью. При скорости соударения свариваемых пластин выше верхнего предела и выборе заряда взрывчатого вещества не в соответствии с предложенным соотношением амплитуда волн в зоне соединения оказывается избыточной и получаемые покрытия не будут обладать регулярной волнообразной поверхностью.δ ₂ and ρ ₂ are stationary, V _c is the collision velocity of the plates, D is the detonation velocity of the explosive, which ensures reliable welding by explosion of titanium with steel and forms a wave-like zone of metal joining with a given wave amplitude. When the collision speed of the welded plates is below the lower limit and when choosing the explosive charge not in accordance with the proposed ratio, the wave amplitude in the joint zone is insufficient and the resulting coatings will not have a sufficiently developed surface. When the collision speed of the welded plates is higher than the upper limit and the choice of explosive charge is not in accordance with the proposed ratio, the wave amplitude in the connection zone is excessive and the resulting coatings will not have a regular wavy surface.

Предложено сваренную заготовку нагревать до температуры 900-950°С и выдерживать при этой температуре в вакуумной печи 10-14 часов до образования в сформированной при сварке взрывом волнообразной зоне соединения титана и стали высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной 160-300 мкм, после этого заготовку предложено охлаждать вместе с печью, что формирует материал будущего покрытия на титане и стали с необходимой толщиной, твердостью и износостойкостью. При температуре нагрева и времени выдержки ниже нижнего предлагаемого предела толщина интерметаллидной диффузионной прослойки в зоне соединения металлов оказывается меньше, чем 160 мкм, что при последующей операции разделения металлов приводит к формированию на них покрытий недостаточной толщины, а также приводит к снижению ресурса работы таких материалов в парах трения и системах противоскольжения. При температуре нагрева и времени выдержки сваренной заготовки выше верхнего предела толщина высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки оказывается избыточной, то есть больше 300 мкм, что при разделении сваренных заготовок приводит к формированию покрытий на металлах с недостаточно регулярной волнообразной поверхностью, а это сужает возможные области применения получаемых изделий. Нагрев сваренной заготовки в вакуумной печи позволяет защитить обрабатываемый материал от насыщения газами, что способствует получению качественных изделий.It is proposed that the welded billet be heated to a temperature of 900-950 ° C and held at this temperature for 10-14 hours in a vacuum furnace until a highly hard intermetallic diffusion interlayer with a thickness of 160-300 μm is formed in the wave-shaped zone formed during explosion welding of the titanium and steel, after which the billet is proposed cool together with the furnace, which forms the material of the future coating on titanium and steel with the necessary thickness, hardness and wear resistance. At a heating temperature and a holding time below the lower proposed limit, the thickness of the intermetallic diffusion layer in the zone of metal joining is less than 160 μm, which in the subsequent metal separation operation leads to the formation of coatings of insufficient thickness on them, and also reduces the life of such materials in friction pairs and anti-skid systems. At a heating temperature and holding time of the welded workpiece above the upper limit, the thickness of the high-hardness intermetallic diffusion layer is excessive, i.e., more than 300 μm, which, when the welded workpieces are separated, leads to the formation of coatings on metals with an insufficiently regular wavy surface, and this narrows down the possible areas of application of the resulting products . Heating the welded billet in a vacuum furnace allows you to protect the processed material from saturation with gases, which contributes to the production of high-quality products.

Предложено после операций формирования высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки в зоне соединения металлов нагревать заготовку до температуры 930-950°С, выдерживать при этой температуре 3-8 минут, а затем охлаждать в воде для отделения титана от стали по диффузионной прослойке с формированием при этом на титане и стали высокотвердых износостойких покрытий с регулярной волнообразной поверхностью. При температуре нагрева ниже нижнего предлагаемого предела 930°С при последующем охлаждении в воде в ряде случаев происходит лишь частичное расслоение металлов и операция разделения оказывается малоэффективной. Температура нагрева выше 950°С оказывается избыточной, так как не приводит к повышению эффективности процесса разделения металлов, и такой нагрев оказывается экономически нецелесообразным. Выдержка в интервале температур 930-950°С в течение 3-8 минут способствует выравниванию температуры по всему объему сваренной заготовки, что способствует надежному разделению металлов при охлаждении в воде. При времени выдержки менее 3 минут возможно неполное разделение сваренных заготовок при последующем охлаждении в воде. Время выдержки более 8 минут является нежелательным, так как способствует нежелательному окислению металлов и ухудшению свойств изделий.It is proposed after the operations of forming a high-hard intermetallic diffusion layer in the metal joining zone to heat the workpiece to a temperature of 930-950 ° C, keep it at this temperature for 3-8 minutes, and then cool in water to separate titanium from steel through a diffusion layer with the formation on titanium and steel, high hardness, wear-resistant coatings with a regular undulating surface. At a heating temperature below the lower proposed limit of 930 ° C, with subsequent cooling in water, in some cases only partial separation of metals occurs and the separation operation is ineffective. A heating temperature above 950 ° C is excessive, since it does not increase the efficiency of the metal separation process, and such heating is not economically feasible. Exposure in the temperature range of 930-950 ° C for 3-8 minutes helps to equalize the temperature throughout the volume of the welded workpiece, which contributes to the reliable separation of metals during cooling in water. With a holding time of less than 3 minutes, incomplete separation of the welded workpieces during subsequent cooling in water is possible. A holding time of more than 8 minutes is undesirable, as it contributes to the undesirable oxidation of metals and the deterioration of product properties.

Предложено охлаждение сваренных заготовок для их разделения производить в воде, что способствует возникновению в зоне соединения металлов внутренних напряжений необходимого уровня, что приводит к надежному разделению сваренных заготовок по интерметаллидной прослойке с формированием при этом на титане и стали высокотвердых износостойких покрытий с регулярной волнообразной поверхностью.It is proposed that the welded billets be cooled for separation to be produced in water, which contributes to the formation of internal stresses of the required level in the metal joining zone, which leads to a reliable separation of the welded billets along the intermetallic layer with the formation of high-hard wear-resistant coatings on titanium and steel with a regular wavy surface.

При разделении титана и стали на поверхности титана формируется интерметаллидное покрытие с толщиной, составляющей примерно 67% средней толщины диффузионной интерметаллидной прослойки, а на стальной пластине - 33%.When titanium and steel are separated, an intermetallic coating is formed on the titanium surface with a thickness of approximately 67% of the average thickness of the diffusion intermetallic layer, and 33% on the steel plate.

Предлагаемый способ получения износостойких покрытий осуществляется в следующей последовательности. Берут предварительно очищенные от окислов и загрязнений пластины из титана и стали необходимой толщины, выбирают амплитуду волн, которую надо получить при сварке взрывом в зоне соединения металлов из предлагаемого диапазона: А=0,18-0,37 мм. При этом исходят из того, что амплитуда шероховатостей (неровностей) на поверхностях металлов с полученными по предлагаемому способу интерметаллидными покрытиями примерно равна удвоенной амплитуде волн, т.е. Н_ш=2А; выбирают необходимый уровень скорости соударения свариваемых пластин из предлагаемого диапазона: V_c=450-650 м/с, а затем определяют скорость детонации взрывчатого вещества D из соотношения:The proposed method of obtaining wear-resistant coatings is carried out in the following sequence. Pre-cleaned from oxides and impurities plates of titanium and steel of the required thickness are taken, the wave amplitude that needs to be obtained when welding by explosion in the zone of metal joining from the proposed range is selected: A = 0.18-0.37 mm. At the same time, it is assumed that the amplitude of roughnesses (irregularities) on the surfaces of metals with the intermetallic coatings obtained by the proposed method is approximately equal to the doubled wave amplitude, i.e. N _W = 2A; select the necessary level of collision speed of the welded plates from the proposed range: V _c = 450-650 m / s, and then determine the detonation velocity of the explosive D from the ratio:

где δ₁ и ρ₁ - толщина и плотность метаемой пластины, соответственно,where δ ₁ and ρ ₁ are the thickness and density of the missile plate, respectively,

δ₂ и ρ₂ - неподвижной.δ ₂ and ρ ₂ - motionless.

Далее по известным методикам выбирают тип взрывчатого вещества, высоту заряда Н_вв, величину сварочного зазора h. Собирают пакет под сварку взрывом из пластин титана и стали с выбранным сварочным зазором h и укладывают его на основание, размещенное на грунте. Для уменьшения краевых эффектов с помощью специальных приспособлений к боковым кромкам по всему периметру верхней метаемой пластины пристыковывают защитные экраны в виде стальных полос, имеющих такую же удельную массу (произведение толщины на плотность), как у метаемой пластины. На поверхность пакета и экранов укладывают защитную прослойку из высокоэластичного материала, например резины, защищающую поверхность верхней метаемой пластины от повреждений, а на ее поверхности располагают заряд взрывчатого вещества. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в заряде взрывчатого вещества с помощью электродетонатора.Then, according to well-known techniques, the type of explosive is chosen, the charge height H _cc , the welding gap h. Collect the package for explosion welding from plates of titanium and steel with a selected welding gap h and lay it on a base placed on the ground. To reduce edge effects using special devices to the side edges around the entire perimeter of the upper throwable plate, protective shields in the form of steel strips having the same specific gravity (product of thickness and density) as the throwing plate are docked. A protective layer of highly elastic material, for example rubber, is laid on the surface of the bag and screens, which protects the surface of the upper throwable plate from damage, and an explosive charge is placed on its surface. Explosion welding is carried out with the initiation of the detonation process in the explosive charge using an electric detonator.

Затем сваренную заготовку нагревают до температуры 900-950°С и выдерживают при этой температуре в вакуумной печи в течение 10-14 часов до образования в сформированной при сварке взрывом волнообразной зоне соединения титана и стали высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной 160-300 мкм. После этого заготовку охлаждают вместе с печью, а затем нагревают до температуры 930-950°С, выдерживают при этой температуре 3-8 минут, а затем охлаждают в воде, что приводит к отделению титана от стали по диффузионной прослойке с формированием при этом на титане и стали высокотвердых износостойких покрытий с регулярной волнообразной поверхностью.Then, the welded billet is heated to a temperature of 900-950 ° C and maintained at this temperature in a vacuum oven for 10-14 hours until the formation of a highly hard intermetallic diffusion interlayer with a thickness of 160-300 microns in the wave-shaped zone formed during explosion welding during the explosion welding. After that, the billet is cooled together with the furnace, and then heated to a temperature of 930-950 ° C, maintained at this temperature for 3-8 minutes, and then cooled in water, which leads to the separation of titanium from steel through a diffusion layer with the formation of titanium and steel, high hardness, wear-resistant coatings with a regular undulating surface.

В результате получают сразу две пластины - из титана и стали с твердыми износостойкими интерметаллидными покрытиями с регулярными волнообразными поверхностями. Толщина покрытия на титановой пластине составляет примерно 67% средней толщины диффузионной интерметаллидной прослойки, а на стальной пластине - 33%. Высота неровностей (шероховатостей) на титане и стали примерно равна удвоенной амплитуде волн и составляет Н_ш=2А, среднее расстояние между смежными выступами шероховатостей В примерно равно (2-2,5)Н_ш.As a result, two plates are obtained at once - from titanium and steel with hard wear-resistant intermetallic coatings with regular undulating surfaces. The coating thickness on the titanium plate is approximately 67% of the average thickness of the diffusion intermetallic layer, and on the steel plate is 33%. The height of the irregularities (roughnesses) on titanium and steel is approximately equal to the doubled wave amplitude and is H _w = 2A, the average distance between adjacent protrusions of the roughness B is approximately equal to (2-2.5) H _w .

Пример 1 (см. также таблицу).Example 1 (see also table).

Берут предварительно очищенные от окислов и загрязнений пластины из титана ВТ1-0 и стали 08. Толщина титановой пластины δ₁=8 мм, длина - 220 мм, ширина - 160 мм, плотность титана ρ₁=4,5 г/см, удельная масса М_Ti=δ₁·ρ₁=0,8·4,5=3,6 г/см². Толщина стальной пластины δ₂=8 мм, длина - 220 мм, ширина - 160 мм, плотность стали ρ₂=7,8 г/см³. Необходимо получить интерметаллидные покрытия на обоих металлических пластинах со средней амплитудой шероховатостей Н_ш=0,74 мм. В соответствии с этим необходимая амплитуда волн в зоне соединения металлов A=0,37 мм, то есть А=0,5H_ш. Исходя из опыта сварки взрывом титана со сталью, в качестве метаемой пластины используют пластину титана. Скорость соударения свариваемых пластин выбрана равной V_c=440 м/с. Скорость детонации взрывчатого вещества D выбирают на ЭВМ с учетом заданной амплитуды волн А в зоне соединения, скорости соударения свариваемых пластин V_c, толщины и плотности метаемой титановой пластины δ₁, ρ₁ и неподвижной стальной пластины - δ₂ и ρ₂ из соотношения:Take pre-cleaned from oxides and impurities plates of VT1-0 titanium and steel 08. The thickness of the titanium plate is δ ₁ = 8 mm, the length is 220 mm, the width is 160 mm, the density of titanium is ρ ₁ = 4.5 g / cm, specific gravity M _Ti = δ ₁ · ρ ₁ = 0.8 · 4.5 = 3.6 g / cm ² . The thickness of the steel plate δ ₂ = 8 mm, length - 220 mm, width - 160 mm, the density of steel ρ ₂ = 7.8 g / cm ³ . It is necessary to obtain intermetallic coatings on both metal plates with an average roughness amplitude of N _W = 0.74 mm. In accordance with this, the required wave amplitude in the zone of metal joining is A = 0.37 mm, that is, A = 0.5H _W. Based on the experience of welding by explosion of titanium with steel, a titanium plate is used as a throwing plate. The collision speed of the welded plates is chosen equal to V _c = 440 m / s. The detonation velocity of an explosive D is selected on a computer taking into account the specified wave amplitude A in the joint zone, the collision speed of the plates being welded V _c , the thickness and density of the titanium plate being thrown δ ₁ , ρ ₁ and a fixed steel plate - δ ₂ and ρ ₂ from the relation:

В данном примере определенная из данного уравнения скорость детонации D=2070 м/с.Такой скоростью детонации обладает заряд из смеси аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:3, высота заряда Н_вв=50 мм, сварочный зазор h, при котором обеспечивается выбранная скорость соударения свариваемых пластин, h=12 мм. Собирают пакет под сварку взрывом со сварочным зазором h=12 мм и укладывают его на основание из древесно-стружечной плиты, размещенное на песчаном грунте. Длина основания - 220 мм, ширина -160 мм, толщина - 18 мм. К боковым кромкам по всему периметру верхней метаемой титановой пластины с помощью специальных приспособлений пристыковывают защитные экраны в виде полос из стали Ст3 шириной 30 мм с примерно такой же удельной массой, как у титановой пластины. Плотность стали Ст 37,8 г/ см³, толщина h_э=4,5 мм. На поверхность пакета и экранов укладывают защитную прослойку толщиной 2 мм из высокоэластичного материала - резины, защищающую поверхность метаемой титановой пластины от повреждений продуктами детонации взрывчатого вещества, а на ее поверхности располагают контейнер с зарядом порошкообразного взрывчатого вещества. Длина контейнера - 280 мм, ширина - 220 мм, высота контейнера соответствует высоте заряда взрывчатого вещества Н_вв=50 мм. Сварку взрывом осуществляют инициированием процесса детонации в заряде взрывчатого вещества с помощью электродетонатора. После сварки взрывом заготовку нагревали до температуры t₁=900°C и выдерживали при этой температуре в вакуумной печи при давлении печных газов Р=1,3·10^-3-1,3·10^-2 Па в течение τ=10 часов, что обеспечивает образование в сформированной при сварке взрывом волнообразной зоне соединения титана и стали высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной δ_пр=60 мкм, после этого заготовку охлаждали вместе с печью, а затем нагревали до температуры t₂=950°C в электропечи, выдерживали при этой температуре в течение τ₂=3 минут, а затем охлаждали в воде, что привело к отделению титана от стали по диффузионной прослойке с формированием при этом на титане и стали высокотвердых износостойких покрытий с регулярной волнообразной поверхностью. При этом средняя толщина покрытия на титановой пластине Т_Ti=0,1 мм, на стальной Т_ст=0,05 мм. Высота неровностей на титане и стали примерно равна удвоенной амплитуде волн в зоне соединения и составляет Н_Ш=0,74 мм, среднее расстояние между смежными выступами шероховатостей B=1,85 мм, что составляет 2,5 Н_Ш.In this example, the detonation velocity determined from this equation is D = 2070 m / s. The charge from a mixture of 6GV ammonite with ammonium nitrate in a ratio of 1: 3, charge height H _BB = 50 mm, welding gap h, at which the selected collision speed of welded plates, h = 12 mm. Collect the package for explosion welding with a welding gap of h = 12 mm and lay it on the base of a particleboard placed on sandy soil. The base length is 220 mm, the width is -160 mm, the thickness is 18 mm. Using special devices, protective shields in the form of strips of St3 steel 30 mm wide with about the same specific gravity as that of a titanium plate are docked to the lateral edges around the entire perimeter of the upper missile titanium plate. The density of steel St 37.8 g / cm ^{3 the} thickness h _e = 4,5 mm A protective layer of 2 mm thick of highly elastic material - rubber, which protects the surface of the titanium plate being thrown from damage by the detonation products of the explosive, is laid on the surface of the bag and screens, and a container with a charge of powdered explosive is placed on its surface. The length of the container is 280 mm, the width is 220 mm, the height of the container corresponds to the height of the explosive charge N _BB = 50 mm. Explosion welding is carried out by initiating the detonation process in the explosive charge using an electric detonator. After explosion welding, the billet was heated to a temperature of t ₁ = 900 ° C and kept at this temperature in a vacuum furnace at a furnace gas pressure of P = 1.3 · 10 ^-3 -1.3 · 10 ^-2 Pa for τ = 10 hours, which ensures the formation in the wave-shaped zone formed during explosion welding of a titanium-steel compound of a highly hard intermetallic diffusion interlayer with a thickness of δ _CR = 60 μm, after which the billet was cooled together with the furnace, and then heated to a temperature of t ₂ = 950 ° C in an electric furnace, kept at that temperature for τ = ₂ to 3 minutes, and then cooled in ode, which led to the separation of titanium from the steel by diffusion to form the interlayer while on titanium and steel of very hard wear-resistant coatings with a regular undulating surface. In this case, the average coating thickness on a titanium plate T _Ti = 0.1 mm, on steel T _article = 0.05 mm. The height of the irregularities on titanium and steel is approximately equal to twice the amplitude of the waves in the joint zone and is N _W = 0.74 mm, the average distance between adjacent protrusions of the roughness is B = 1.85 mm, which is 2.5 N _W.

Пример 2 (см. также таблицу).Example 2 (see also table).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина метаемой титановой пластины δ₁=4 мм, ее удельная масса 1,8 г/см², толщина неподвижной стальной пластины δ₂=4 мм, требуемая амплитуда шероховатостей поверхностей покрытий Н_Ш=0,54 мм, соответственно необходимая амплитуда волн в зоне соединения А=0,27 мм, скорость соударения свариваемых пластин V_С=500 м/с, скорость детонации заряда взрывчатого вещества D=1970 м/с. Состав взрывчатого вещества - смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:4. Высота заряда взрывчатого вещества Н_ВВ=60 мм, величина сварочного зазора h=3,2 мм. Толщина стальных защитных экранов п_э=2,3 мм.The same as in example 1, but the following changes. The thickness of the titanium plate being thrown is δ ₁ = 4 mm, its specific gravity is 1.8 g / cm ² , the thickness of the fixed steel plate is δ ₂ = 4 mm, the required amplitude of the roughness of the coating surfaces is H _W = 0.54 mm, respectively, the required wave amplitude in the zone compounds A = 0.27 mm, the collision speed of the welded plates V _C = 500 m / s, the detonation velocity of the explosive charge D = 1970 m / s. The composition of the explosive is a mixture of ammonium 6GV with ammonium nitrate in a ratio of 1: 4. Explosive charge height H _BB = 60 mm, welding gap h = 3.2 mm. The thickness of the steel shields p _e = 2.3 mm.

После сварки взрывом заготовку нагревали до температуры t₁=925°C и выдерживали при этой температуре в вакуумной печи в течение τ₁=12 часов, что обеспечило получение высокотвердой интерметаллидной износостойкой прослойки толщиной δ_пр=0,2 мм. Температура нагрева заготовки t₂=940°С, время выдержки τ₂=5 минут.After explosion welding, the billet was heated to a temperature of t ₁ = 925 ° C and kept at this temperature in a vacuum furnace for τ ₁ = 12 hours, which ensured the production of a high hardness intermetallic wear-resistant interlayer with a thickness of δ _pr = 0.2 mm. The heating temperature of the workpiece t ₂ = 940 ° C, the exposure time τ ₂ = 5 minutes.

В результате получили высокотвердое износостойкое покрытие на титановой пластине со средней толщиной Т_Ti=0,13 мм, на стальной - Т_ст=0,07 мм. Средняя высота неровностей на титане и стали Н_Ш=0,54 мм, среднее расстояние между смежными выступами шероховатостей В=1,35 мм.As a result, a highly hard wear-resistant coating was obtained on a titanium plate with an average thickness T _Ti = 0.13 mm, on steel - T _article = 0.07 mm. The average height of the irregularities on titanium and steel is _NW = 0.54 mm, the average distance between adjacent protrusions of roughness is B = 1.35 mm.

Пример 3 (см. также таблицу).Example 3 (see also table).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина метаемой титановой пластины δ₁=2 мм, ее удельная масса 0,9 г/см². Толщина неподвижной стальной пластины δ₂=2 мм, требуемая амплитуда шероховатостей Н_ш=0,36 мм, соответственно необходимая амплитуда волн в зоне соединения металлов A=0,18 мм, скорость соударения V_C=650 м/с, D=2190 м/с, Н_вв=60 мм, сварочный зазор h=2 мм, h_Э=1 мм.The same as in example 1, but the following changes. The thickness of the missile titanium plate δ ₁ = 2 mm, its specific gravity of 0.9 g / cm ² . The thickness of the fixed steel plate δ ₂ = 2 mm, the required amplitude of the roughness N _W = 0.36 mm, respectively, the necessary amplitude of the waves in the zone of metal joining A = 0.18 mm, the impact velocity V _C = 650 m / s, D = 2190 m / s, N _BB = 60 mm, welding gap h = 2 mm, h _E = 1 mm.

Температура нагрева t₁=950°C, время выдержки τ_i=14 часов, что обеспечило получение высокотвердой интерметаллидной прослойки толщиной δ_пр=0,3 мм. Температура нагрева t₂=30°С, время выдержки τ₂=8 минут.The heating temperature t ₁ = 950 ° C, the exposure time τ _i = 14 hours, which provided a high hardness intermetallic layer with a thickness of δ _CR = 0.3 mm. The heating temperature t ₂ = 30 ° C, the exposure time τ ₂ = 8 minutes.

ТаблицаTable Номер при мераNumber at measure Способ получения покрытийThe method of producing coatings Параметры пластин для нанесения покрытий, необходимая амплитуда волн в зоне соединенияThe parameters of the plates for coating, the necessary amplitude of the waves in the connection zone Режимы сварки взрывомExplosion Welding Modes Режимы получения диффузионной прослойки, ее толщинаModes of obtaining a diffusion layer, its thickness Режимы разделения сваренной заготовкиSplit modes of the welded workpiece Результаты получения износостойких покрытийThe results of wear-resistant coatings 1one Предлагаемый способThe proposed method Метаемая пластина из титана ВТ 1-0: толщина δ₁=8 мм, плотность ρ₁=4,5 г/см³; неподвижная пластина из стали 08: толщина δ₂=8 мм, плотность ρ₂=7,8 г/см³; требуемая амплитуда волн А=0,37 мм.Thrown plate made of titanium VT 1-0: thickness δ ₁ = 8 mm, density ρ ₁ = 4.5 g / cm ³ ; fixed plate made of steel 08: thickness δ ₂ = 8 mm, density ρ ₂ = 7.8 g / cm ³ ; the required wave amplitude A = 0.37 mm. Скорость соударения пластин V_c=440 м/с. Рассчитанное значение скорости детонации ВВ D=2070 м/с. Состав ВВ: смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:3, высота заряда Н_ВВ=50 мм, сварочный зазор между пластинами h=12 мм.The speed of collision of the plates V _c = 440 m / s. The calculated value of the detonation velocity of explosives D = 2070 m / s. Composition of explosives: a mixture of 6GV ammonite with ammonium nitrate in a ratio of 1: 3, charge height H _BB = 50 mm, welding gap between the plates h = 12 mm. Температура t₁=900°С; время выдержки τ₁=10 час.; толщина прослойки δ_пр=0,16 мм, давление газа в вакуумной печи Р=1,3·10^-3-1,3·10^-2 Па.Temperature t ₁ = 900 ° C; the exposure time τ ₁ = 10 hours .; the thickness of the interlayer δ _CR = 0.16 mm, the gas pressure in the vacuum furnace R = 1.3 · 10 ^-3 -1.3 · 10 ^-2 Pa. Температура t₂=950°С; время выдержки τ₂=3 мин; среда охлаждения - вода.Temperature t ₂ = 950 ° C; holding time τ ₂ = 3 min; cooling medium is water. После разделения сваренных взрывом пластин на поверхностях титана и стали получены твердые износостойкие интерметаллидные покрытия с развитой регулярной волнообразной поверхностью. Средняя толщина покрытия на стальной пластине Т_ст=0,05 мм, на титановой - Т_Ti≈0,1 мм. Высота неровностей на титане и стали Н_ш примерно равна удвоенной амплитуде волн А и составляет 0,74 мм. Среднее расстояние между смежными выступами В=1,85 мм, что составляет 2,5 Н_ш. Пластины с покрытиями весьма эффективны в тормозных системах и системах противоскольжения.After the separation of explosion-welded plates on the surfaces of titanium and steel, hard wear-resistant intermetallic coatings with a developed regular undulating surface are obtained. The average coating thickness on a steel plate T _article = 0.05 mm, on a titanium one - T _Ti ≈ 0.1 mm. The height of the irregularities on titanium and steel N _{W is} approximately equal to twice the amplitude of waves A and is 0.74 mm. The average distance between adjacent protrusions is B = 1.85 mm, which is 2.5 N _w . Coated plates are very effective in brake and anti-skid systems. 22 Предлагаемый способThe proposed method То же, что в примере 1, но толщина метаемой пластины δ₁=4 мм; толщина неподвижной пластины δ₂=4 мм; А=0,27 ммThe same as in example 1, but the thickness of the throwing plate δ ₁ = 4 mm; the thickness of the fixed plate δ ₂ = 4 mm; A = 0.27 mm V_c=500 м/с. D=1970 м/с. Состав ВВ: смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:4, Н_вв=60 мм, h=3,2 мм.V _c = 500 m / s. D = 1970 m / s. Composition of explosives: a mixture of 6GV ammonite with ammonium nitrate in a ratio of 1: 4, H _cb = 60 mm, h = 3.2 mm. Температура t₁=925°С; время выдержки t₁=12 час; δ_пр=0,2 мм, P=1,3·10^-3-1,3·10^-2Па.Temperature t ₁ = 925 ° C; holding time t ₁ = 12 hours; δ _ol = 0.2 mm, P = 1.3 · 10 ^-3 -1.3 · 10 ^-2 Pa. Температура t₂=940°С; время выдержки τ₂=5 мин; среда охлаждения - вода.Temperature t ₂ = 940 ° C; holding time τ ₂ = 5 min; cooling medium is water. То же, что в примере 1, но толщина Т_СТ=0,07 мм, Т_Ti≈0,13 мм; высота неровностей на поверхностях титана и стали Н_Ш=0,54 мм; среднее расстояние между смежными выступами шероховатостей В=1,35 мм.The same as in example 1, but the thickness T _CT = 0.07 mm, T _Ti ≈0.13 mm; the height of the bumps on the surfaces of titanium and steel N _W = 0.54 mm; the average distance between adjacent protrusions of roughness is B = 1.35 mm.

Продолжение таблицыTable continuation Номер при мераNumber at measure Способ получения покрытийThe method of producing coatings Параметры пластин для нанесения покрытий, необходимая амплитуда волн в зоне соединенияThe parameters of the plates for coating, the necessary amplitude of the waves in the connection zone Режимы сварки взрывомExplosion Welding Modes Режимы получения диффузионной прослойки, ее толщинаModes of obtaining a diffusion layer, its thickness Режимы разделения сваренной заготовкиSplit modes of the welded workpiece Результаты получения износостойких покрытийThe results of wear-resistant coatings 33 Предлагаемый способThe proposed method То же, что в примере 1, но толщина метаемой пластины δ₁=2 мм; толщина неподвижной пластины δ₂=2 мм; Требуемая амплитуда волн A=0,18 ммThe same as in example 1, but the thickness of the throwing plate δ ₁ = 2 mm; the thickness of the fixed plate δ ₂ = 2 mm; Required wave amplitude A = 0.18 mm V_c=650 м/с. D=2190 м/с. Состав ВВ тот же, что в примере 1, высота заряда Н_ВВ=60 мм, сварочный зазор h=3,2 мм.V _c = 650 m / s. D = 2190 m / s. The explosive composition is the same as in example 1, the charge height H _BB = 60 mm, the welding gap h = 3.2 mm Температура t₁=950°С; время выдержки τ₁=14 час; толщина прослойки δ_пр=0,3 мм, P=1,3·10^-3-1,3·10^-2 Па.Temperature t ₁ = 950 ° C; the exposure time τ ₁ = 14 hours; the thickness of the interlayer δ _CR = 0.3 mm, P = 1.3 · 10 ^-3 -1.3 · 10 ^-2 Pa. Температура t₂=930°С; время выдержки τ₂=8 мин; среда охлаждения - вода.Temperature t ₂ = 930 ° C; holding time τ ₂ = 8 min; cooling medium is water. То же, что в примере 1, но толщина покрытия на стали Т_ст=0,1 мм, на титане T_Ti≈0,2 мм; высота неровностей на поверхностях титана и стали Н_ш=0,54 мм; В=0,9 мм.The same as in example 1, but the coating thickness on steel T _article = 0.1 mm, on titanium T _Ti ≈0.2 mm; the height of the bumps on the surfaces of titanium and steel N _W = 0.54 mm; B = 0.9 mm. 4four ПрототипPrototype Метаемая пластина из стали 08 толщиной 2 мм; Неподвижная пластина из титана ВТ1-0 толщиной 5 мм.The throwing plate from steel 08 2 mm thick; Fixed plate made of titanium VT1-0 5 mm thick. Режимы сварки оптимальные для соединения металлов: V_c=540 м/с. D=2280 м/с. Состав ВВ: смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2, Н_ВВ=40 мм, h=3 мм.The welding modes are optimal for joining metals: V _c = 540 m / s. D = 2280 m / s. Composition of explosives: a mixture of 6GV ammonite with ammonium nitrate in a ratio of 1: 2, N _explosives = 40 mm, h = 3 mm. Температура t₁=950°С; время выдержки t₁=14 час; толщина прослойки δ_пр=0,3 мм, Р=1,3·10^-3-1,3·10^-2 Па.Temperature t ₁ = 950 ° C; holding time t ₁ = 14 hours; the thickness of the interlayer δ _CR = 0.3 mm, P = 1.3 · 10 ^-3 -1.3 · 10 ^-2 Pa. Стальную прослойку с поверхности интерметаллидного слоя на титановой пластине удаляли абразивной обработкой на плоскошлифовальном станке.The steel layer from the surface of the intermetallic layer on the titanium plate was removed by abrasive treatment on a surface grinding machine. На поверхности титановой пластины получено твердое износостойкое интерметаллидное покрытие толщиной 0,2-0,25 мм с гладкой, неразвитой поверхностью. На поверхности интерметаллидного слоя обнаруживаются локальные участки из стали 08 с пониженной твердостью. Остатки стального слоя локализованы в углублениях интерметаллидного покрытия.A hard, wear-resistant intermetallic coating 0.2-0.25 mm thick with a smooth, undeveloped surface was obtained on the surface of the titanium plate. On the surface of the intermetallic layer, local sections of steel 08 with reduced hardness are detected. The remains of the steel layer are localized in the recesses of the intermetallic coating.

В результате получили высокотвердое износостойкое интерметаллидное покрытие на титановой пластине со средней толщиной Т_Ti=0,2 мм, а на стальной - Т_ст=0,1 мм. Средняя высота неровностей (шероховатостей) на титане и стали Н_Ш=0,36 мм, среднее расстояние δ=0,9 мм.As a result, a high-hard wear-resistant intermetallic coating was obtained on a titanium plate with an average thickness T _Ti = 0.2 mm, and on a steel one - T _article = 0.1 mm. The average height of irregularities (roughnesses) on titanium and steel is N _Ш = 0.36 mm, the average distance is δ = 0.9 mm.

При получении износостойкого покрытия по прототипу (см. также таблицу, пример 4) на поверхности титановой пластины получено износостойкое интерметаллидное покрытие толщиной 0,25-0,25 мм с гладкой неразвитой поверхностью. На поверхности интерметаллидного слоя обнаруживаются локальные участки из стали 08 с пониженной твердостью. Остатки стального слоя локализованы в углублениях интерметаллидного покрытия.Upon receipt of a wear-resistant coating according to the prototype (see also the table, example 4), a wear-resistant intermetallic coating with a thickness of 0.25-0.25 mm with a smooth undeveloped surface is obtained on the surface of the titanium plate. On the surface of the intermetallic layer, local sections of steel 08 with reduced hardness are detected. The remains of the steel layer are localized in the recesses of the intermetallic coating.

Claims (1)

Способ получения износостойких покрытий, при котором осуществляют сварку взрывом пластин титана и стали, а затем проводят высокотемпературную термическую обработку сваренной заготовки для формирования на границе раздела металлов интерметаллидной диффузионной прослойки заданной толщины, отличающийся тем, что сварку осуществляют на режимах, обеспечивающих амплитуду А волн в зоне соединения металлов, равную 0,18-0,37 мм, при этом процесс ведут при скорости соударения V_c свариваемых пластин, равной 440-650 м/с, и скорости детонации D взрывчатого вещества, определяемой из соотношения

где δ₁ и ρ₁ - толщина и плотность метаемой пластины соответственно, δ₂ и ρ₂ - толщина и плотность неподвижной пластины, термическую обработку сваренной заготовки осуществляют путем нагрева до температуры 900-950°С и выдержки при этой температуре в вакуумной печи 10-14 ч до получения в сформированной при сварке взрывом волнообразной зоне соединения титана и стали интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной 160-300 мкм, после чего заготовку охлаждают вместе с печью, а затем осуществляют дополнительный нагрев до температуры 930-950°С, выдержку при этой температуре 3-8 мин и охлаждают заготовку в воде для отделения пластин титана от стали по диффузионной прослойке с формированием при этом на пластинах титана и стали высокотвердых износостойких покрытий с регулярной волнообразной поверхностью. A method of obtaining wear-resistant coatings, in which explosion welding of titanium and steel plates is carried out, and then high-temperature heat treatment of the welded billet is carried out to form an intermetallic diffusion layer of a given thickness at the metal interface, characterized in that the welding is carried out at modes that provide the amplitude of A waves in the zone metal compounds equal to 0.18-0.37 mm, the process being carried out at a collision speed V _{c of the} plates being welded equal to 440-650 m / s and a detonation velocity D of the explosive substance determined from the ratio

where δ ₁ and ρ ₁ are the thickness and density of the plate being thrown, respectively, δ ₂ and ρ ₂ are the thickness and density of the fixed plate, the heat treatment of the welded workpiece is carried out by heating to a temperature of 900-950 ° C and holding at this temperature in a vacuum oven 10- 14 hours until a titanium-steel compound of titanium and steel is formed during the explosion welding and produces an intermetallic diffusion layer 160-300 μm thick, after which the workpiece is cooled together with the furnace, and then additional heating is carried out to a temperature of 930-950 ° С, soaking is carried out and this temperature for 3-8 minutes and cool the workpiece in water to separate titanium plates from steel along a diffusion layer with the formation of highly hard-wearing wear-resistant coatings with regular wave-like surface on titanium and steel plates.