RU2710828C1 - Method of producing composite materials from steel and mixtures of powders of nickel and tungsten boride - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to production of wear-resistant composites by explosive pressing, which can be used for production of friction pairs. Pressed powder mixture consisting of nickel and 45–50 wt% of tungsten boride is placed in cylindrical ampoules in the form of pipes from austenitic steel, they are laid tightly against each other on a steel base in form of a plate, obtained from two sides of obtained package of cylindrical ampoules auxiliary rods in form of steel pipes filled with high-plastic low-melting metal, with same outer diameter as cylindrical ampoules, installed on surface of pack of cylindrical ampoules, throwing steel plate with charge of explosive, the obtained assembly is placed on the ground and explosive pressing is performed by initiating the detonation process in the explosive charge along the ampoule package. Deformed ampoules with compacted powder mixtures contained therein are subjected to thermal treatment to produce all-welded composite material in form of rods, each of which contains shell from austenitic steel with high-hard wear-resistant alloy arranged inside it and consisting of products of interaction of nickel with boride of tungsten.EFFECT: higher hardness.3 cl, 2 tbl, 6 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения износостойких композиционных материалов с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано в промышленности для изготовления пар трения.The invention relates to a technology for producing wear-resistant composite materials using the energy of explosives (BB) and can be used in industry for the manufacture of friction pairs.

Известен способ взрывного прессования кольцевых антифрикционных уплотнений, по которому в исходную смесь порошков никелированного графита и алюминиевой бронзы дополнительно вводят 20-25 мас. % порошка никелированнного нитрида бора с частицами чешуйчатой формы и размерами, равными размерам частиц порошка никелированного графита, получают смесь, размещают ее в ампуле и осуществляют прессование заготовки скользящими ударными волнами с последующим отжигом (Патент РФ №1797217, МПК B22F 03/08, опубл. 10.12.1990). Известен также способ взрывного прессования кольцевых антифрикционных изделий, который включает приготовление смеси порошков никелированного графита преимущественно чешуйчатой формы частиц и алюминиевой бронзы со сферической формой частиц, размещение смеси в цилиндрической ампуле вокруг стального стержня, затем дополнительно по наружной поверхности смеси производят засыпку слоя порошка титановой губки и осуществляют прессование наружным контактным зарядом взрывчатого вещества (Патент РФ № 2002579, МПК B22F 03/08, опубл. 15.11.1993). Общим недостатком этих двух способов является невысокая твёрдость получаемых этими способами материалов, ампулы для прессуемых смесей порошков используются лишь как вспомогательная оснастка, которую в конце технологического цикла удаляют, невозможность получения неразъёмного соединения между стенкой ампулы и прессуемым порошком, малая их производительность: за один технологический цикл получают всего лишь одну прессовку. Всё это ограничивает применение этих способов в промышленности для изготовления пар трения.A known method of explosive pressing of annular antifriction seals, according to which 20-25 wt.% Are additionally introduced into the initial mixture of nickel-plated graphite and aluminum bronze powders. % powder of nickel-plated boron nitride with flake particles and sizes equal to the particle sizes of nickel-plated graphite powder, a mixture is obtained, placed in an ampoule and the workpiece is pressed by sliding shock waves followed by annealing (RF Patent No. 1797217, IPC B22F 03/08, publ. 12/10/1990). There is also known a method of explosive pressing of annular antifriction products, which involves preparing a mixture of nickel-plated graphite powders of predominantly scaly-shaped particles and aluminum bronze with a spherical shape of particles, placing the mixture in a cylindrical ampoule around a steel rod, then additionally filling the titanium sponge powder layer onto the mixture’s outer surface and carry out the pressing of the external contact charge of the explosive (RF Patent No. 2002579, IPC B22F 03/08, publ. 11/15/1993). A common disadvantage of these two methods is the low hardness of the materials obtained by these methods, ampoules for pressed powder mixtures are used only as auxiliary equipment, which is removed at the end of the technological cycle, the inability to obtain an integral connection between the ampoule wall and the pressed powder, their low productivity: in one technological cycle get just one compact. All this limits the application of these methods in industry for the manufacture of friction pairs.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения металлополимерного нанокомпозиционного материала путём взрывного прессования. При его реализации прессуемую порошковую металлополимерную смесь, содержащую 60-90% металлического порошка, в качестве которого предложено использовать никелевый порошок, засыпают в контейнер, имеющий внутри толщину не более 0,2 внутреннего диаметра D ампулы, с оболочкой из металла с пониженной адгезией к полимерам. Контейнер размещают симметрично продольной оси ампулы. Между оболочкой контейнера и стальными вкладышами, имеющими толщину (0,25-0,35) D, размещают пористую передающую среду. Соосно с контейнером с прессуемой порошковой металлополимерной смесью на наружной поверхности ампулы располагают два пуансона из металла с повышенной плотностью с толщиной, равной 1,2-1,5 наружной толщины контейнера с прессуемой порошковой металлополимерной смесью. Между пуансонами и секторными зарядами ВВ располагают прослойки из песка. В качестве секторных зарядов ВВ используют ВВ со скоростью детонации 3800-4120 м/с. Площадь контакта каждого секторного заряда ВВ со стенкой ампулы в пределах 34-42%. Отношение удельной массы ВВ к сумме удельных масс стенки ампулы, стального вкладыша и слоя пористой передающей среды - 0,14-0,29. Полученный наноструктурированный металлополимерный композиционный материал имеет форму пластины и обладает высокой твердостью и износостойкостью (патент РФ № 2452593, МПК B22F 03/08, B23К 20/08, B82В 3/00, опубл. 10.06.2012 - прототип).The closest in technical level and the achieved result is a method of producing a metal-polymer nanocomposite material by explosive pressing. During its implementation, an extrudable powder metal-polymer mixture containing 60-90% metal powder, which is proposed to use nickel powder, is poured into a container having inside the thickness of not more than 0.2 of the inner diameter D of the ampoule, with a shell made of metal with reduced adhesion to polymers . The container is placed symmetrically to the longitudinal axis of the ampoule. A porous transmission medium is placed between the container shell and steel inserts having a thickness of (0.25-0.35) D. Two punches made of metal with increased density and a thickness equal to 1.2-1.5 of the outer thickness of the container with the pressed powder metal-polymer mixture are coaxial with the container with the pressed powder metal-polymer mixture. Between the punches and sector charges of explosives are sand layers. As sector charges of explosives, explosives are used with a detonation velocity of 3800-4120 m / s. The contact area of each sector explosive charge with the ampoule wall is within 34-42%. The ratio of the specific gravity of the explosive to the sum of the specific gravities of the wall of the ampoule, the steel liner and the layer of the porous transmission medium is 0.14-0.29. The obtained nanostructured metal-polymer composite material has the form of a plate and has high hardness and wear resistance (RF patent No. 2452593, IPC B22F 03/08, B23K 20/08, B82B 3/00, publ. 10.06.2012 - prototype).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что связано с недостаточно высокой твёрдостью спрессованного по нему материала, не превышающая 2-3,4 ГПа, с значительной сложностью его реализации, с малой его производительностью, с необходимостью удаления механической обработкой сдеформированной ампулы и прочей, расположенной в ней вспомогательной оснастки. Кроме того, этим способом невозможно получить неразъёмное соединение прессовки с контактирующим с ней металлом, что весьма ограничивает применение этого способа, для изготовления изделий, где требуется повышенная твёрдость прессовки и её прочная связь с находящимся в контакте с ней металлическим слоем. This method has a low technical level, which is associated with the insufficiently high hardness of the material pressed on it, not exceeding 2-3.4 GPa, with the significant complexity of its implementation, with its low productivity, and the need to remove the deformed ampoule and other located in her auxiliary equipment. In addition, in this way it is impossible to obtain a permanent connection of the compact with the metal in contact with it, which greatly limits the application of this method for the manufacture of products where high pressing hardness and its strong bond with the metal layer in contact with it are required.

В связи с этим важнейшей задачей является разработка нового способа получения композиционного материала из стали и смеси порошков никеля и борида вольфрама, обладающего в сравнении с прототипом значительно большей производительностью на стадии взрывного прессования, с большей твёрдостью порошковых прессовок, чем у материалов по прототипу, с использованием стенок стальных ампул в качестве оболочек порошковых прессовок, с образованием при этом между ними сплошных сварных соединений.In this regard, the most important task is to develop a new method for producing composite material from steel and a mixture of nickel and tungsten boride powders, which, in comparison with the prototype, has significantly higher productivity at the stage of explosive pressing, with greater hardness of powder compacts than the materials of the prototype, using walls of steel ampoules as shells of powder compacts, with the formation of continuous welded joints between them.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью одновременного взрывного прессования пакета из стальных ампул с находящимся в них прессуемыми смесями порошков из никеля и борида вольфрама и последующего термического воздействия на полученные при этом заготовки, одновременное получение цельносварных композиционных материалов в виде стержней, каждый из которых содержит оболочку из аустенитной стали, а внутри её - высокотвёрдый износостойкий сплав, состоящий из продуктов взаимодействия никеля с боридом вольфрама, с большей твёрдостью, чем у материалов по прототипу.The technical result of the claimed method is the creation of a new technology that ensures, by means of simultaneous explosive extrusion of a package of steel ampoules with compressible mixtures of powders of nickel and tungsten boride contained in them and subsequent thermal treatment of the resulting workpieces, the simultaneous production of all-welded composite materials in the form of rods each of which contains a shell made of austenitic steel, and inside it is a highly hard wear-resistant alloy consisting of products of inter Actions nickel with tungsten boride, with greater hardness than the material of the prototype.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения композиционных материалов из стали и смеси порошков никеля и борида вольфрама, включающем размещение в цилиндрической стальной ампуле прессуемой порошковой смеси, содержащей порошок никеля, инициирование процесса детонации в заряде взрывчатого вещества (ВВ) и взрывное прессование, прессуемые порошковые смеси, из никеля (Ni) и борида вольфрама (W₂B₅), содержащие 45-50 мас. % последнего, размещают в цилиндрических ампулах в виде труб из аустенитной стали с наружным диаметром 16-24 мм и с толщиной стенок 1-2 мм, укладывают их вплотную друг к другу на стальное основание в виде пластины с толщиной 10-15 мм, устанавливают с двух сторон полученного пакета из цилиндрических ампул вспомогательные стержни в виде стальных труб, заполненных высокопластичным легкоплавким металлом, с таким же наружным диаметром, как у цилиндрических ампул, устанавливают на поверхности пакета из цилиндрических ампул метаемую стальную пластину толщиной 4-5 мм с зарядом ВВ, размещают полученную сборку на грунте и осуществляют взрывное прессование путём инициирования процесса детонации в заряде ВВ вдоль пакета из ампул, при этом высоту и скорость детонации заряда ВВ, выбирают из условия получения давления в порошковой смеси каждой ампулы 2,2-2,6 ГПа, затем сдеформированные ампулы с находящимися в них спрессованными порошковыми смесями подвергают термической обработке при температуре 1100-1150°C в течение 50-70 мин с последующим охлаждением на воздухе с получением при этом цельносварных композиционных материалов в виде стержней, каждый из которых содержит оболочку из аустенитной стали, а внутри её - высокотвёрдый износостойкий сплав, состоящий из продуктов взаимодействия никеля с боридом вольфрама. При реализации способа в качестве материала для изготовления цилиндрических ампул используют аустенитную сталь 12Х18Н10Т, а в качестве высокопластичного легкоплавкого металла для заполнения полостей вспомогательных стержней используют свинец.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed method for producing composite materials from steel and a mixture of nickel and tungsten boride powders, comprising placing a pressed powder mixture containing nickel powder in a cylindrical steel ampoule, initiating the detonation process in the explosive charge (explosive) and explosive pressing pressed powder mixtures of nickel (Ni) and tungsten boride (W ₂ B ₅ ) containing 45-50 wt. % of the latter, placed in cylindrical ampoules in the form of pipes of austenitic steel with an outer diameter of 16-24 mm and with a wall thickness of 1-2 mm, lay them close to each other on a steel base in the form of a plate with a thickness of 10-15 mm, set with on both sides of the resulting package of cylindrical ampoules, auxiliary rods in the form of steel pipes filled with a high-ductility low-melting metal with the same outer diameter as that of cylindrical ampoules, are mounted on the surface of the package of cylindrical ampoules a throwable steel plate 4-5 mm thick with an explosive charge, place the resulting assembly on the ground and carry out explosive pressing by initiating the detonation process in the explosive charge along the package of ampoules, while the height and speed of detonation of the explosive charge are selected from the conditions for obtaining pressure in the powder mixture of each ampoule 2 , 2-2.6 GPa, then the deformed ampoules with the pressed powder mixtures in them are subjected to heat treatment at a temperature of 1100-1150 ° C for 50-70 minutes, followed by cooling in air to obtain all-welded ompozitsionnyh materials in the form of rods, each of which comprises a casing of austenitic steel, and its inside - vysokotvordy wear resistant alloy consisting of nickel, reaction products with tungsten boride. When implementing the method, austenitic steel 12X18H10T is used as a material for the manufacture of cylindrical ampoules, and lead is used as a highly plastic fusible metal for filling the cavities of auxiliary rods.

Новый способ получения композиционных материалов из стали и смеси порошков никеля и борида вольфрама имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по используемым материалам, составу, свойствам и количеству получаемых за один технологический цикл композиционных материалов, так и по совокупности технологических приёмов и режимов их получения. Так предложено прессуемые порошковые смеси, из никеля (Ni) и борида вольфрама (W₂B₅), содержащие 45-50 мас. % последнего, размещать в цилиндрических ампулах в виде труб из аустенитной стали с наружным диаметром 16-24 мм и с толщиной стенок 1-2 мм и укладывать их вплотную друг к другу на стальное основание в виде пластины с толщиной 10-15 мм, что создаёт необходимые условия для получения при последующем взрывном прессовании сразу нескольких заготовок в виде стержней, каждый из которых содержит сдеформированную стенку ампулы (оболочку) из аустенитной стали, с расположенной внутри неё высокоплотной прессовкой из смеси порошков никеля и борида вольфрама. Содержание борида вольфрама в порошковой смеси менее 45 мас. % приводит при термической обработке спрессованнных взрывом заготовок к формированию материалов с недостаточно высокой твёрдостью, что может быть недопустимо при использовании таких материалов в ряде пар трения. Содержание борида вольфрама в порошковой смеси более 50 мас. % может приводить при термической обработке к сквозному проплавлению стенок ампул, что исключает возможность практического использования таких материалов в парах трения.A new method for producing composite materials from steel and a mixture of tungsten nickel and boride powders has significant differences in comparison with the prototype both in the materials used, the composition, properties and amount of composite materials obtained in one technological cycle, and in the aggregate of technological methods and modes of their production. So proposed pressed powder mixtures of Nickel (Ni) and tungsten boride (W ₂ B ₅ ) containing 45-50 wt. % of the latter, placed in cylindrical ampoules in the form of pipes made of austenitic steel with an outer diameter of 16-24 mm and with a wall thickness of 1-2 mm and lay them close to each other on a steel base in the form of a plate with a thickness of 10-15 mm, which creates the necessary conditions for obtaining, during subsequent explosive pressing, several billets in the form of rods at once, each of which contains a deformed ampoule wall (shell) made of austenitic steel, with a high-density pressing made of a mixture of nickel and tungsten boride powders located inside it. The content of tungsten boride in the powder mixture is less than 45 wt. % leads to the formation of materials with insufficiently high hardness during heat treatment of the blanks compressed by explosion, which may be unacceptable when using such materials in a number of friction pairs. The content of tungsten boride in the powder mixture is more than 50 wt. % during heat treatment can lead to through penetration of the walls of the ampoules, which excludes the possibility of practical use of such materials in friction pairs.

Размещение порошковых смесей из никеля и борида вольфрама, в цилиндрических ампулах в виде труб из аустенитной стали с наружным диаметром 16-24 мм и с толщиной стенок 1-2 мм обеспечивает надёжную защиту прессуемой смеси от воздействия окружающей среды при взрывном прессовании, способствует сохранности прессовок от разрушения как в процессе взрывного прессования, так и при разгрузке сжатой системы. Кроме того, стенки ампул выполняют роль сред, передающих давление от ВВ к прессуемым смесям порошков и применение при этом аустенитной стали, в качестве которой предложено использовать коррозионностойкую сталь 12Х18Н10Т, обладающей высокой пластичностью и прочностью обеспечивает высокое качество получаемой продукции и её служебные свойства, а также её защиту от воздействия окружающей среды. Наружный диаметр ампул менее 16 мм приводит к недопустимо малым объёмам располагаемых в них порошковых смесей, что приводит к снижению служебных свойств получаемых композиционных материалов. Наружный диаметр ампул более 24 мм может приводить при взрывном прессовании к локальному оплавлению наружных поверхностей ампул, что снижает качество получаемой продукции. Толщина стенок ампул менее 1 мм не всегда обеспечивает их целостность при взрывном прессовании, что приводит к невозможности практического использования получаемых при этом прессовок. Толщина стенок ампул более 2 мм является избыточной, поскольку это приводит к нежелательному снижению объёмной доли сплава из борида вольфрама и никеля в получаемых материалах.Placing powder mixtures of nickel and tungsten boride in cylindrical ampoules in the form of pipes made of austenitic steel with an outer diameter of 16-24 mm and a wall thickness of 1-2 mm provides reliable protection of the pressed mixture from environmental influences during explosive pressing, contributes to the preservation of compacts from destruction both during explosive pressing and during unloading of a compressed system. In addition, the walls of the ampoules play the role of media transferring pressure from the explosive to the pressed powder mixtures and the use of austenitic steel, which is proposed to use 12Kh18N10T corrosion-resistant steel, which has high ductility and strength provides high quality products and their service properties, as well as its protection from environmental influences. The outer diameter of the ampoules less than 16 mm leads to unacceptably small volumes of powder mixtures located in them, which leads to a decrease in the service properties of the obtained composite materials. The outer diameter of the ampoules of more than 24 mm can lead to explosive pressing to local fusion of the outer surfaces of the ampoules, which reduces the quality of the resulting product. The wall thickness of the ampoules less than 1 mm does not always ensure their integrity during explosive pressing, which leads to the impossibility of practical use of the resulting compacts. The wall thickness of the ampoules of more than 2 mm is excessive, since this leads to an undesirable decrease in the volume fraction of the alloy of tungsten boride and nickel in the resulting materials.

Толщина стального основания менее 10 мм не обеспечивает надёжную защиту получаемых материалов от неконтролируемых деформаций, что снижает их качество. Его толщина более 15 мм является избыточной, поскольку на качество получаемой продукции это не влияет, а ведёт лишь к лишнему расходу металла в расчёте на одно изделие. Размещение ампул вплотную друг к другу на стальном основании в виде пакета препятствует образованию локальных зон сварки между смежными ампулами, снижающими качество получаемых материалов.The thickness of the steel base less than 10 mm does not provide reliable protection of the materials obtained from uncontrolled deformations, which reduces their quality. Its thickness of more than 15 mm is excessive, since this does not affect the quality of the products obtained, but only leads to an excess metal consumption per product. Placing ampoules close to each other on a steel base in the form of a package prevents the formation of local welding zones between adjacent ampoules, which reduce the quality of the materials obtained.

Предложено устанавливать с двух сторон полученного пакета из цилиндрических ампул вспомогательные стержни в виде стальных труб, заполненных высокопластичным легкоплавким металлом, в качестве которого предложено использовать свинец, с таким же наружным диаметром, как у цилиндрических ампул, что обеспечивает примерно одинаковые условия деформирования ампул с прессуемыми порошками как находящихся по краям пакета из ампул, так и внутри его, а это, в свою очередь, способствует получению материалов с одинаковой формой и размерами, способствует также увеличению выхода годных изделий. При использовании вспомогательных стержней с диаметрами, выходящими за предлагаемые пределы, снижается качество получаемых материалов.It is proposed to install auxiliary rods on both sides of the obtained package of cylindrical ampoules in the form of steel pipes filled with a highly plastic low-melting metal, which is proposed to use lead with the same outer diameter as that of cylindrical ampoules, which provides approximately the same conditions for the deformation of ampoules with pressed powders both located at the edges of the package of ampoules, and inside it, and this, in turn, contributes to the production of materials with the same shape and size, uet also increase product yield. When using auxiliary rods with diameters beyond the proposed limits, the quality of the materials obtained is reduced.

Предложено устанавливать на поверхности пакета из цилиндрических ампул метаемую стальную пластину толщиной 4-5 мм с зарядом ВВ, размещать полученную сборку на грунте и осуществлять взрывное прессование путём инициирования процесса детонации в заряде ВВ вдоль пакета из ампул, при этом высоту и скорость детонации заряда ВВ, выбирать из условия получения давления в порошковой смеси каждой ампулы 2,2-2,6 ГПа. В процессе взрывного прессования метаемая стальная пластина перемещается в направлении ампул с расположенными в них порошковыми смесями, деформирует их с высокой скоростью, при этом порошковые смеси прессуются до плотности, близкой к предельной. В процессе взрывного прессования происходит также очистка внутренних поверхностей стенок ампул и термодинамическая активация частиц Ni и W₂B₅, что способствует получению при последующей термической обработке цельносварных композиционных материалов. Толщина метаемой стальной пластины менее 4 мм не способствует получению композиционных материалов с осевой симметрией, а её толщина более 5 мм является избыточной поскольку это приводит к заметному увеличению расхода ВВ в расчёте на одно изделие. Осуществление взрывного прессования путём инициирования процесса детонации в заряде ВВ вдоль пакета из ампул способствует получению материалов с осевой симметрией. Давление в порошковой смеси каждой ампулы менее 2,2 ГПа является недостаточным для получения необходимой высокой плотности порошковых прессовок, а давление более 2,6 ГПа является избыточным, поскольку это не способствует повышению качества получаемых материалов, а приводит к лишним затратам на приобретение ВВ.It was proposed to install a throwable steel plate 4-5 mm thick on the surface of a package of cylindrical ampoules with an explosive charge, place the assembly on the ground and carry out explosive pressing by initiating the detonation process in the explosive charge along the package of ampoules, with the height and speed of detonation of the explosive charge, choose from the conditions for obtaining pressure in the powder mixture of each ampoule 2.2-2.6 GPa. During explosive pressing, a throwable steel plate moves in the direction of the ampoules with the powder mixtures located in them, deforms them at a high speed, while the powder mixtures are pressed to a density close to the limit. In the process of explosive pressing, the internal surfaces of the walls of the ampoules are also cleaned and the thermodynamic activation of Ni and W ₂ B ₅ particles occurs, which contributes to the production of all-welded composite materials during subsequent heat treatment. The thickness of the missile steel plate less than 4 mm does not contribute to the production of composite materials with axial symmetry, and its thickness more than 5 mm is excessive since this leads to a noticeable increase in the consumption of explosives per one product. The implementation of explosive pressing by initiating the detonation process in the explosive charge along the package of ampoules contributes to the production of materials with axial symmetry. The pressure in the powder mixture of each ampoule of less than 2.2 GPa is insufficient to obtain the required high density of the powder compacts, and the pressure of more than 2.6 GPa is excessive, since this does not improve the quality of the materials obtained, but leads to unnecessary expenses for the acquisition of explosives.

Предложено сдеформированные ампулы с находящимися в них спрессованными порошковыми смесями подвергать термической обработке при температуре 1100-1150°С в течение 50-70 мин с последующим охлаждением на воздухе, что обеспечивает получение при этом нескольких цельносварных композиционных материалов, в виде стержней, каждый из которых содержит оболочку из аустенитной стали, а внутри её - высокотвёрдый износостойкий сплав, состоящий из продуктов взаимодействия никеля с боридом вольфрама: из твёрдого раствора вольфрама в никеле (основа), борида никеля, а также комплексного борида W₂NiB₂. Температура и время выдержки при термической обработке ниже нижних предлагаемых пределов не обеспечивают получение цельносварных композиционных материалов с необходимой высокой твёрдостью. Температура и время выдержки выше верхних предлагаемых пределов приводят к лишним энергозатратам при получении материалов, а также это может приводить к снижению их служебных свойств. Охлаждение на воздухе термически обработанных заготовок является наиболее экономичным способом снижения их температуры, обеспечивающим требуемые свойства получаемых материалов.It is proposed that the deformed ampoules with compressed powder mixtures in them be subjected to heat treatment at a temperature of 1100-1150 ° C for 50-70 min, followed by cooling in air, which ensures the production of several all-welded composite materials in the form of rods, each of which contains the shell is made of austenitic steel, and inside it is a high-hard wear-resistant alloy consisting of the products of the interaction of nickel with tungsten boride: from a solid solution of tungsten in nickel (base), boride n ikel, as well as complex boride W ₂ NiB ₂ . The temperature and exposure time during heat treatment below the lower proposed limits do not provide all-welded composite materials with the required high hardness. Temperature and exposure time above the upper proposed limits lead to unnecessary energy consumption when obtaining materials, and this can also lead to a decrease in their service properties. Air cooling of heat-treated preforms is the most economical way to reduce their temperature, providing the required properties of the materials obtained.

На фиг. 1 приведены расчётные импульсы давления в прессуемых порошковых смесях, где кривая 1 рассчитана для схемы прессования, описанной в примере 1, кривая 2 - для примера 2, кривая 3 - для примера 3.In FIG. Figure 1 shows the calculated pressure pulses in the pressed powder mixtures, where curve 1 is calculated for the pressing scheme described in example 1, curve 2 for example 2, curve 3 for example 3.

На фиг. 2 показан продольный осевой разрез ампулы с прессуемой порошковой смесью, на фиг. 3 показана схема взрывного прессования ампул с прессуемыми порошками (вид сбоку), на фиг. 4 - поперечный разрез А-А на фиг. 3, на фиг. 5 - схема взрывного прессования (вид сверху), на фиг. 6 - поперечный разрез одного из полученных композиционных материалов.In FIG. 2 shows a longitudinal axial section through an ampoule with an extrudable powder mixture; FIG. 3 shows a diagram of the explosive pressing of ampoules with compressible powders (side view), FIG. 4 is a cross section AA in FIG. 3, in FIG. 5 is a diagram of explosive pressing (top view), FIG. 6 is a cross-sectional view of one of the obtained composite materials.

Предлагаемый способ получения композиционных материалов из стали и смеси порошков никеля и борида вольфрама осуществляется в следующей последовательности. Сначала в каждой ампуле 1 в виде трубы из аустенитной стали с наружным диаметром 16-24 мм и с толщиной стенок 1-2 мм устанавливают путём запрессовки заглушку 2, например, из алюминия, заполняют её прессуемой порошковой смесью 3, после чего ампулу герметизируют заглушкой 4. Вспомогательные стержни в виде стальных труб 5, заполненных высокопластичным легкоплавким металлом 6, изготавливают с таким же наружным диаметром и с такой же длиной, как у цилиндрических ампул. Укладывают снаряженные ампулы описанным выше способом вплотную друг к другу на стальное основание 7 в виде пластины с толщиной 10-15 мм, устанавливают с двух сторон полученного пакета из цилиндрических ампул вспомогательные стержни, устанавливают на поверхности пакета из цилиндрических ампул метаемую стальную пластину 8 толщиной 4-5 мм с основным зарядом ВВ 9 и с расположенным в передней части основного заряда вспомогательным зарядом ВВ 10, создающим плоский фронт детонации в основном заряде, размещают полученную сборку, например, на песчаном на грунте 11 и осуществляют взрывное прессование путём инициирования с помощью электродетонатора 12 процесса детонации в заряде ВВ вдоль пакета из ампул, при этом высоту и скорость детонации заряда ВВ, выбирают с помощью компьютерной технологии исходя из условия получения давления в порошковой смеси каждой ампулы 2,2-2,6 ГПа. Затем, для устранения краевых эффектов, производят обрезку, например, с помощью абразивного инструмента, концевых частей у сдеформированных ампул с находящимися в них спрессованными порошковыми смесями, размещают полученные при этом заготовки в металлическом контейнере, например, из никеля, заполняют пространство между стенками контейнера и заготовками тугоплавким керамическим порошком, например α-корундом, контейнер герметизируют, после чего его помещают, например, в электропечь, и подвергают термической обработке при температуре 1100-1150°С в течение 50-70 мин с последующим охлаждением на воздухе и извлечением полученных материалов из металлического контейнера.The proposed method for producing composite materials from steel and a mixture of powders of Nickel and tungsten boride is carried out in the following sequence. First, in each ampoule 1 in the form of a pipe made of austenitic steel with an outer diameter of 16-24 mm and with a wall thickness of 1-2 mm, a plug 2, for example, of aluminum, is pressed by pressing, filled with pressed powder mixture 3, after which the ampoule is sealed with a plug 4 Auxiliary rods in the form of steel pipes 5 filled with a high-plastic low-melting metal 6 are made with the same outer diameter and the same length as that of cylindrical ampoules. Lay the loaded ampoules in the manner described above close to each other on a steel base 7 in the form of a plate with a thickness of 10-15 mm, install auxiliary rods on both sides of the resulting package of cylindrical ampoules, install a steel plate 8 on the surface of the package of cylindrical ampoules 4- 4 thick 5 mm with the main explosive charge 9 and with the auxiliary explosive charge 10 located in front of the main charge, creating a flat detonation front in the main charge, place the assembly, for example, on sand m on the ground 11 and carry out explosive pressing by initiating, using an electric detonator 12, the detonation process in the explosive charge along the package of ampoules, while the height and speed of detonation of the explosive charge are selected using computer technology based on the conditions for obtaining pressure in the powder mixture of each ampoule 2, 2-2.6 GPa. Then, in order to eliminate edge effects, they trim, for example, using an abrasive tool, end parts of deformed ampoules with pressed powder mixtures in them, place the resulting blanks in a metal container, for example, made of nickel, fill the space between the walls of the container and billets with refractory ceramic powder, for example α-corundum, the container is sealed, after which it is placed, for example, in an electric furnace, and subjected to heat treatment at a temperature of 1100 -1150 ° C for 50-70 min, followed by cooling in air and removing the resulting materials from a metal container.

В результате одновременно получают несколько цельносварных композиционных материалов, в виде стержней, каждый из которых содержит оболочку из аустенитной стали 13, а внутри её - высокотвёрдый износостойкий сплав 14, состоящий из продуктов взаимодействия никеля с боридом вольфрама: из твёрдого раствора вольфрама в никеле (основа), борида никеля, а также комплексного борида W₂NiB₂. Между оболочкой 13 и сформированным в процессе термической обработки сплавом 14 образуется сплошное сварное соединение 15. Твёрдость сплава, расположенного внутри оболочки из аустенитной стали превосходит в 1,5-11,8 раз твёрдость материалов, полученных по прототипу. Из полученных материалов можно изготавливать, например, вкладыши тормозных устройств с повышенной величиной допускаемого износа, присоединять их, например, пайкой с использованием легкоплавких или тугоплавких припоев к другим деталям, а также можно использовать в парах трения других технических устройств.As a result, several all-welded composite materials are simultaneously obtained, in the form of rods, each of which contains a shell of austenitic steel 13, and inside it is a highly hard wear-resistant alloy 14, consisting of the products of the interaction of nickel with tungsten boride: from a solid solution of tungsten in nickel (base) , nickel boride, as well as complex boride W ₂ NiB ₂ . Between the shell 13 and the alloy 14 formed during the heat treatment, a continuous welded joint 15 is formed. The hardness of the alloy located inside the austenitic steel shell exceeds the hardness of the materials obtained by the prototype by 1.5-11.8 times. From the obtained materials it is possible to make, for example, brake liners with increased allowable wear, attach them, for example, by soldering using fusible or refractory solders to other parts, and can also be used in friction pairs of other technical devices.

Пример 1 (см. таблицу, пример 1).Example 1 (see table, example 1).

Для получения материалов по предлагаемому способу берут восемь ампул из аустенитной стали 12Х18Н10Т длиной каждой из них L=200 мм, с наружным диаметром D_н=16 мм, внутренним - D_в=14 мм, с толщиной стенки Т_ст=1 мм. Для заполнения ампул в качестве прессуемой порошковой смеси используют смесь порошка электролитического никеля с порошком борида вольфрама с химической формулой W₂B₅, с содержанием 45 мас. % последнего. Для закупорки ампул используют заглушки из алюминия АД1 толщиной 3 мм. Вспомогательные стержни в виде труб изготавливают стали Ст3 с таким же наружным и внутренним диаметром и с такой же длиной, как у цилиндрических ампул, их внутренние полости заполняют высокопластичным легкоплавким металлом – свинцом. Стальное основание в виде пластины изготавливают стали Ст3 с толщиной Т_ос=10 мм, длиной М_ос=210 мм, шириной N_ос=190 мм. Метаемую стальную пластину изготавливают из стали Ст3 толщиной Т_мп=4 мм. Её длина и ширина такие же, как у стального основания. Из предлагаемого диапазона выбираем необходимое давление прессования в порошковой смеси каждой ампулы Р. В данном примере Р=2,2 ГПа. Для обеспечения такого давления с помощью компьютерной технологии, с учетом толщин и физических характеристик всех объектов схемы взрывного прессования выбираем необходимую скорость детонации основного заряда ВВ D_вв и его высоту Н_вв. В данном случае D_вв= 3450 м/с, а Н_вв=35 мм. Такими параметрами обладает взрывчатое вещество в виде порошкообразного аммонита 6ЖВ.To obtain materials by the proposed method, take eight ampoules of austenitic steel 12X18H10T with a length of each of them L = 200 mm, with an outer diameter D_n= 16 mm, internal - D_in= 14 mm, with wall thickness T_st= 1 mm. To fill the ampoules, a mixture of electrolytic nickel powder with tungsten boride powder with the chemical formula W is used as an extruded powder mixture₂B₅, with a content of 45 wt. % last. To plug the ampoules, 3 mm thick AD1 aluminum plugs are used. Auxiliary rods in the form of pipes are made of St3 steel with the same outer and inner diameter and with the same length as that of cylindrical ampoules, their internal cavities are filled with a high-plastic low-melting metal - lead. A steel base in the form of a plate is made of St3 steel with a thickness of T_os= 10 mm, length M_os= 210 mm, width N_os= 190 mm. The throwable steel plate is made of St3 steel with a thickness of T_mp= 4 mm. Its length and width are the same as that of the steel base. From the proposed range, we select the required pressing pressure in the powder mixture of each ampoule P. In this example, P = 2.2 GPa. To ensure such pressure using computer technology, taking into account the thicknesses and physical characteristics of all objects of the explosive pressing scheme, we select the necessary detonation velocity of the main explosive charge D_ccand its height H_cc. In this case, D_cc= 3450 m / s, and N_cc= 35 mm. An explosive in the form of powdered ammonite 6GV has such parameters.

После взрывного прессования и обрезки концевых частей у всех восьми сдеформированных ампул с находящимися в них спрессованными порошковыми смесями, их размещают в металлическом контейнере из никеля с толщиной стенки 1 мм, заполняют пространство между стенками контейнера и заготовками тугоплавким керамическим порошком, например, α-корундом, контейнер закрывают крышкой и герметизируют, например, с помощью смеси жидкого стекла с α-корундом, после просушки его помещают в электропечь и подвергают термической обработке при температуре 1100°С в течение 70 мин с последующим охлаждением на воздухе и извлечением полученных материалов из металлического контейнера.After explosive pressing and trimming of the end parts of all eight deformed ampoules with compressed powder mixtures in them, they are placed in a metal container of nickel with a wall thickness of 1 mm, the space between the container walls and the workpieces is filled with refractory ceramic powder, for example, α-corundum, the container is closed with a lid and sealed, for example, using a mixture of liquid glass with α-corundum, after drying it is placed in an electric furnace and subjected to heat treatment at a temperature of 1100 ° C for 70 minutes, followed by cooling in air and removing the resulting materials from a metal container.

В результате одновременно получают композиционные материалы в виде восьми стержней, каждый из которых содержит оболочку из аустенитной стали, а внутри её - высокотвёрдый износостойкий сплав, состоящий из продуктов взаимодействия никеля с боридом вольфрама: из твёрдого раствора вольфрама в никеле (основа), борида никеля, а также комплексного борида W₂NiB₂. Между оболочкой и сформированным в процессе термической обработки сплавом образуется сплошное сварное соединение. В поперечном сечении форма композиционных стержней близка к эллиптической. Длина каждого композиционного стержня L_км=175 мм, ширина N_км - около 17 мм, толщина Т_км - около 7 мм. У полученных материалов твёрдость сплавов внутри стальных оболочек, измеренная на микротвердомере ПМТ-3М, находится в пределах 5,1-13,6 ГПа, что в 1,5-6,8 раз выше, чем у материалов по прототипу.As a result, composite materials are obtained in the form of eight rods, each of which contains a shell of austenitic steel, and inside it is a highly hard wear-resistant alloy consisting of the products of the interaction of nickel with tungsten boride: from a solid solution of tungsten in nickel (base), nickel boride, as well as complex boride W ₂ NiB ₂ . A continuous welded joint is formed between the shell and the alloy formed during the heat treatment. In cross section, the shape of the composite rods is close to elliptical. The length of each composite rod L _km = 175 mm, the width N _km is about 17 mm, the thickness T _km is about 7 mm. For the obtained materials, the hardness of the alloys inside the steel shells, measured on a PMT-3M microhardness tester, is in the range 5.1–13.6 GPa, which is 1.5–6.8 times higher than that of the materials of the prototype.

Ещё одним важным достоинством полученных по предлагаемому способу материалов является сформированная в них в процессе термической обработки закрытая пористость, достигающая 11-13 % объёма, причём форма пор близка к сферической, их максимальные размеры могут достигать 0,12 мм, что также способствует повышению долговечности таких материалов в парах трения со смазкой. Another important advantage of the materials obtained by the proposed method is the closed porosity formed in them during the heat treatment, reaching 11–13% of the volume, the pore shape being close to spherical, their maximum dimensions can reach 0.12 mm, which also contributes to an increase in the durability of such materials in friction pairs with lubricant.

Пример 2 (см. таблицу, пример 2).Example 2 (see table, example 2).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Для получения материалов по предлагаемому способу берут семь ампул из аустенитной стали 12Х18Н10Т длиной каждой из них L=230 мм, с наружным диаметром D_н=20 мм, внутренним - D_в=17 мм, с толщиной стенки Т_ст=1,5 мм. Для заполнения ампул в качестве прессуемой порошковой смеси используют смесь тех же порошков, что в примере 1, но с содержанием 47 мас. % борида вольфрама. Стальное основание изготавливают с толщиной Т_ос=12 мм, длиной М_ос=240 мм, шириной N_ос=210 мм. Метаемую стальную пластину изготавливают толщиной Т_мп=4,5 мм. Её длина и ширина такие же, как у стального основания. Из предлагаемого диапазона выбираем необходимое давление прессования в порошковой смеси каждой ампулы Р. В данном примере Р=2,4 ГПа. Для обеспечения такого давления скорость детонации основного заряда ВВ D_вв= 3800 м/с, а Н_вв=45 мм. Такими параметрами обладает взрывчатое вещество в виде порошкообразного аммонита 6ЖВ. Термическую обработку семи сдеформированных ампул с находящимися в них спрессованными порошковыми смесями проводят при температуре 1130°С в течение 60 мин.The same as in example 1, but the following changes. For materials according to the proposed method takes seven vials of austenitic steel 12X18H10T length of each L = 230 mm, with an outer diameter D _H = 20 mm, inner - D = 17 mm _in wall thickness T _g = 1.5 mm. To fill the ampoules as a compressible powder mixture, a mixture of the same powders is used as in example 1, but with a content of 47 wt. % tungsten boride. The steel base is made with a thickness T _OS = 12 mm, a length M _OS = 240 mm, a width N _OS = 210 mm. Thrown steel plate is made with a thickness of T _mp = 4.5 mm. Its length and width are the same as that of the steel base. From the proposed range, we select the required pressing pressure in the powder mixture of each ampoule P. In this example, P = 2.4 GPa. To ensure this pressure, the detonation velocity of the main explosive charge is D _cc = 3800 m / s, and H _cc = 45 mm. An explosive in the form of powdered ammonite 6GV has such parameters. The heat treatment of seven deformed ampoules with compressed powder mixtures in them is carried out at a temperature of 1130 ° C for 60 minutes.

Результаты получения материалов те же, что и в примере 1, но одновременно получают композиционные материалы, в виде семи стержней, с длиной каждого из них L_км=210 мм, с шириной N_км- около 21 мм, с толщиной Т_км - около 10,5 мм. У полученных материалов твёрдость сплавов внутри стальных оболочек находится в пределах 10,1-20,3 ГПа, что в 3-10 раз выше, чем у материалов по прототипу.The results of obtaining the materials are the same as in example 1, but at the same time composite materials are obtained in the form of seven rods, with each length L _km = 210 mm, with a width of N _km - about 21 mm, with a thickness of T _km - about 10 5 mm. For the obtained materials, the hardness of the alloys inside the steel shells is in the range of 10.1-20.3 GPa, which is 3-10 times higher than that of the materials of the prototype.

Пример 3 (см. таблицу, пример 3).Example 3 (see table, example 3).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Для получения материалов по предлагаемому способу берут шесть ампул из аустенитной стали 12Х18Н10Т длиной каждой из них L=250 мм, с наружным диаметром D_н=24 мм, внутренним - D_в=20 мм, с толщиной стенки Т_ст=2 мм. Для заполнения ампул в качестве прессуемой порошковой смеси используют смесь тех же порошков, что в примере 1, но с содержанием 50 мас. % борида вольфрама. Стальное основание изготавливают с толщиной Т_ос=15 мм, длиной М_ос=260 мм, шириной N_ос=220 мм. Метаемую стальную пластину изготавливают толщиной Т_мп=5 мм. Её длина и ширина такие же, как у стального основания. Из предлагаемого диапазона выбираем необходимое давление прессования в порошковой смеси каждой ампулы Р. В данном примере Р=2,6 ГПа. Для обеспечения такого давления скорость детонации основного заряда ВВ D_вв=4000 м/с, а Н_вв=50 мм. Такими параметрами обладает взрывчатое вещество в виде порошкообразного аммонита 6ЖВ. Термическую обработку шести сдеформированных ампул с находящимися в них спрессованными порошковыми смесями проводят при температуре 1150°С в течение 50 мин.The same as in example 1, but the following changes. For materials according to the proposed method takes six vials of austenitic steel 12X18H10T length of each L = 250 mm, with an outer diameter D _H = 24 mm, inner - D = 20 mm _in wall thickness T _{a =} 2 mm. To fill the ampoules as a compressible powder mixture using a mixture of the same powders as in example 1, but with a content of 50 wt. % tungsten boride. The steel base is made with a thickness T _OS = 15 mm, a length M _OS = 260 mm, a width N _OS = 220 mm. Thrown steel plate is made with a thickness of T _mp = 5 mm Its length and width are the same as that of the steel base. From the proposed range, we select the required pressing pressure in the powder mixture of each ampoule P. In this example, P = 2.6 GPa. To ensure this pressure, the detonation velocity of the main explosive charge is D _cc = 4000 m / s, and H _cc = 50 mm. An explosive in the form of powdered ammonite 6GV has such parameters. The heat treatment of six deformed ampoules with compressed powder mixtures in them is carried out at a temperature of 1150 ° C for 50 minutes.

Результаты получения материалов те же, что и в примере 1, но одновременно получают композиционные материалы, в виде шести стержней, с длиной каждого из них L_км=220 мм, с шириной N_км- около 25,5 мм, с толщиной Т_км- около 12,5 мм. У полученных материалов твердость сплавов внутри стальных оболочек находится в пределах 16,1-23,7 ГПа, что в 4,7-11,8 раз выше, чем у материалов по прототипу.The results of obtaining the materials are the same as in example 1, but at the same time composite materials are obtained in the form of six rods, with each length L _km = 220 mm, with a width of N _km - about 25.5 mm, with a thickness of T _km - about 12.5 mm. For the obtained materials, the hardness of the alloys inside the steel shells is in the range of 16.1-23.7 GPa, which is 4.7-11.8 times higher than that of the materials of the prototype.

При получении материалов по прототипу (см. таблицу, пример 4) за один технологический цикл получают лишь одно изделие из металлополимерного композиционного материала в виде пластины без наружной металлической оболочки, с твердостью в 1,5-11,8 раз более низкой, чем у сплавов, расположенных внутри стальных оболочек композиционных материалов, полученных по предлагаемому способу, что ограничивает применение таких материалов в ряде технических устройств, где требуется повышенная твердость и прочное соединение их с металлическими поверхностями.Upon receipt of the materials according to the prototype (see table, example 4), only one product from a metal-polymer composite material in the form of a plate without an outer metal shell with a hardness of 1.5-11.8 times lower than that of alloys is obtained in one technological cycle located inside the steel shells of composite materials obtained by the proposed method, which limits the use of such materials in a number of technical devices that require increased hardness and their strong connection with metal surfaces .

Claims (3)

1. Способ получения композиционного материала из стали и смесей порошков никеля и борида вольфрама, включающий размещение в цилиндрической стальной ампуле прессуемой порошковой смеси, инициирование процесса детонации в заряде взрывчатого вещества (ВВ) и взрывное прессование, отличающийся тем, что прессуемую порошковую смесь, состоящую из никеля (Ni) и 45-50 мас. % борида вольфрама, размещают в цилиндрических ампулах в виде труб из аустенитной стали с наружным диаметром 16-24 мм и с толщиной стенок 1-2 мм, укладывают их вплотную друг к другу на стальное основание в виде пластины с толщиной 10-15 мм, устанавливают с двух сторон полученного пакета из цилиндрических ампул вспомогательные стержни в виде стальных труб, заполненных высокопластичным легкоплавким металлом, с таким же наружным диаметром, как у цилиндрических ампул, устанавливают на поверхности пакета из цилиндрических ампул метаемую стальную пластину толщиной 4-5 мм с зарядом ВВ, размещают полученную сборку на грунте и осуществляют взрывное прессование путём инициирования процесса детонации в заряде ВВ вдоль пакета из ампул, при этом высоту и скорость детонации заряда ВВ выбирают из условия получения давления в порошковой смеси каждой ампулы 2,2-2,6 ГПа, затем сдеформированные ампулы с находящимися в них спрессованными порошковыми смесями подвергают термической обработке при температуре 1100-1150°С в течение 50-70 мин с последующим охлаждением на воздухе с получением цельносварного композиционного материала в виде стержней, каждый из которых содержит оболочку из аустенитной стали с размещенным внутри неё высокотвёрдым износостойким сплавом, состоящим из продуктов взаимодействия никеля с боридом вольфрама.1. A method of producing a composite material from steel and mixtures of tungsten nickel and boride powders, comprising placing an extruded powder mixture in a cylindrical steel ampoule, initiating a detonation process in an explosive charge (BB) and explosive pressing, characterized in that the extruded powder mixture consisting of nickel (Ni) and 45-50 wt. % of tungsten boride, placed in cylindrical ampoules in the form of tubes of austenitic steel with an outer diameter of 16-24 mm and a wall thickness of 1-2 mm, lay them close to each other on a steel base in the form of a plate with a thickness of 10-15 mm, set on both sides of the obtained package of cylindrical ampoules, auxiliary rods in the form of steel pipes filled with a high-ductility low-melting metal with the same outer diameter as that of cylindrical ampoules are installed onto the surface of the package of cylindrical ampoules a throwable steel a plate with a thickness of 4-5 mm with an explosive charge, place the assembly on the ground and carry out explosive pressing by initiating the detonation process in the explosive charge along the package of ampoules, while the height and speed of detonation of the explosive charge is selected from the conditions for obtaining pressure in the powder mixture of each ampoule 2 , 2-2.6 GPa, then the deformed ampoules with the pressed powder mixtures in them are subjected to heat treatment at a temperature of 1100-1150 ° C for 50-70 minutes, followed by cooling in air to obtain a fully welded ompozitsionnogo material in the form of rods, each of which comprises a casing of austenitic steel placed inside it vysokotvordym wear-resistant alloy consisting of nickel products interact with tungsten boride. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала для изготовления цилиндрических ампул используют аустенитную сталь 12Х18Н10Т.2. The method according to claim 1, characterized in that austenitic steel 12X18H10T is used as the material for the manufacture of cylindrical ampoules. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокопластичного легкоплавкого металла для заполнения полостей вспомогательных стержней используют свинец.3. The method according to claim 1, characterized in that lead is used as a highly plastic fusible metal for filling the cavities of auxiliary rods.

Images