Способ получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из меди и алюминиевого сплава
METHOD OF OBTAINING WEAR-RESISTANT COATINGS ON SURFACES OF PLATES FROM COPPER AND ALUMINUM ALLOY

Изобретение относится к технологии получения износостойких покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано, например при изготовлении пар трения в виде тормозных устройств и т.п.
Известен способ получения износостойких покрытий на алюминиевой и магниевой пластинах, при котором составляют пакет из пластин из алюминия и магния с соотношением толщин 1:(0,67-3) при толщине пластины из алюминия, равной 2-3 мм. Сварку взрывом осуществляют при скорости детонации взрывчатого вещества 2250-3000 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества и сварочный зазор между свариваемыми пластинами выбирают из условия получения скорости соударения пластин, равной 540-650 м/с. Затем сваренную заготовку подвергают горячей прокатке при температуре 390-430°С с суммарным обжатием 40-70% при разовых обжатиях за каждый проход 8-10%. Полученную заготовку нагревают до температуры 410-430°С и выдерживают при этой температуре в течение 4-9 часов для образования в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки. Заготовку охлаждают на воздухе и подвергают холодной прокатке с обжатием 2-4% для отделения алюминиевого слоя от магниевого по диффузионной интерметаллидной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминия и магния высокотвердых износостойких покрытий. За один технологический цикл на алюминиевой и магниевой пластинах одновременно получают износостойкие интерметаллидные покрытия со стабильной толщиной и твердостью (Патент РФ №2391191, МПК В23К 20/08, опубл. 10.06.2010, бюл. №16).
Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено наличием в его технологическом процессе весьма трудоемкой операции горячей прокатки сваренной заготовки, а также дополнительной операции холодной прокатки, предназначенной для отделения алюминиевого слоя от магниевого по диффузионной интерметаллидной прослойке, которая может приводить к образованию трещин в интерметаллидных покрытиях, снижающих качество получаемой продукции. Кроме того, твердость покрытий, получаемых этим способом, не превышает 5,2-5,5 ГПа, а это весьма ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении ряда тормозных устройств, пар трения и т.п.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из меди и магниевого сплава, при котором составляют двухслойный пакет, в котором плакирующая пластина выполнена из меди, а плакируемая - из магниевого сплава с заданным соотношением толщин, после чего сваривают его взрывом. Затем проводят термическую обработку сваренной заготовки при температуре 450-480°С в течение 6-10 часов для получения между слоями из меди и магниевого сплава сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки, состоящей из меди и компонентов магниевого сплава. Полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли, что приводит к самопроизвольному отделению медного слоя от слоя из магниевого сплава по диффузионной интерметаллидной прослойке с формированием при этом на пластинах из меди и из магниевого сплава высокотвердых износостойких покрытий. Способ обеспечивает одновременное получение высокотвердых износостойких покрытий на пластинах из меди и из магниевого сплава с малой амплитудой волн на их наружных поверхностях. (Патент РФ №2679814, МПК В23К 20/08, опубл. 13.02.2019, бюл. №5 - прототип).
Недостатком данного способа является недостаточно высокая твердость, не превышающая 2,7-2,8 ГПа, а, следовательно, и низкая износостойкость получаемых этим способом покрытий, а это весьма ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении ряда тормозных устройств и других пар трения, где требуется с повышенная долговечность. Кроме того, этим способом невозможно за один технологический цикл одновременно получать односторонние покрытия на двух медных пластинах и двусторонние - на пластине из алюминиевого сплава.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа одновременного получения (за один технологический цикл) односторонних износостойких покрытий на двух пластинах из меди и двусторонних - на пластине из алюминиевого сплава, с значительно большей, чем у покрытий по прототипу твердостью, по новой технологической схеме формирования состава и свойств интерметаллидных диффузионных прослоек между металлическими слоями.
Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью сварки взрывом на оптимальных режимах двух медных пластин, с расположенной между ними пластиной из алюминиевого сплава, и последующих термических воздействий на сваренную трехслойную заготовку путем создания в сваренной и термически обработанной заготовке благоприятной системы внутренних напряжений в процессе ее охлаждения в водном растворе поваренной соли с оптимальной концентрацией последней, одновременное получение на двух медных пластинах односторонних высокотвердых износостойких покрытий, а на пластине из алюминиевого сплава - двусторонних, с значительно большей твердостью, чем у покрытий по прототипу, не склонных при этом к отслаиванию от металлов как в процессе ускоренного охлаждения в процессе операции разделения выращенных интерметаллидных диффузионных прослоек, так и в процессе эксплуатации изделий с полученными покрытиями в парах трения.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из меди и алюминиевого сплава, включающем составление пакета из металлических пластин, размещение над ним заряда взрывчатого вещества (ВВ), осуществление сварки взрывом, термическую обработку сваренной заготовки для получения между металлическими слоями интерметаллидной диффузионной прослойки с последующим разделением полученной заготовки по этой прослойке путем охлаждения в водном растворе поваренной соли с формированием при этом на поверхностях разнородных металлических пластин износостойких покрытий, упомянутый пакет составляют с симметричным размещением между двумя одинаковыми пластинами из меди (метаемые пластины) пластины из алюминиевого сплава, соотношение толщин метаемых пластин и пластины из алюминиевого сплава в пакете выбирают равным 1:(1-5) при толщине каждой метаемой пластины равной 2-4 мм, при этом используют одинаковые заряды ВВ, которые располагают с двух сторон пакета на поверхностях метаемых пластин, и осуществляют сварку взрывом при одновременном инициировании в упомянутых зарядах ВВ процесса детонации со скоростью в каждом из них, равной 2010-2540 м/с, высоту зарядов ВВ и сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают из условия получения скорости соударения метаемых пластин с пластиной из алюминиевого сплава в пределах 420-500 м/с, причем термическую обработку сваренной заготовки проводят при температуре 350-530°С в течение 5-30 ч, затем ее охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией последней от 15 до 20%, обеспечивающее самопроизвольное отделение медных слоев от слоя из алюминиевого сплава по диффузионным интерметаллидным прослойкам из алюминия и меди с формированием при этом на пластинах из меди и алюминиевого сплава высокотвердых износостойких покрытий, состоящих из интерметаллидов системы алюминий-медь. При реализации способа используют пластину из алюминиевого сплава АМг6, содержащую с двух ее сторон слои из алюминия АД1 с толщиной каждого из них 0,2-0,3 мм.
Новый способ получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из меди и алюминиевого сплава имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по используемым материалам, составу и свойствам получаемых покрытий, так и по совокупности технологических приемов и режимов их получения. Так предложено составлять пакет из металлических пластин с симметричным размещением между двумя одинаковыми пластинами из меди (метаемые пластины) пластины из алюминиевого сплава, соотношение толщин метаемых пластин и пластины из алюминиевого сплава в пакете предложено выбирать равным 1:(1-5) при толщине каждой метаемой пластины равной 2-4 мм, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений разнородных металлических слоев и получения при последующей термической обработке на межслойных границах трех сваренных металлических пластин сплошных высокотвердых интерметаллидных диффузионных прослоек, состоящих из алюминия и меди. При толщине метаемых пластин менее 2 мм возможны их неконтролируемые деформации при сварке взрывом, а также в процессе разделения металлических слоев. При толщине этих пластин более 4 мм возможно появление оплавов в зонах соединения слоев при сварке взрывом, что снижает качество получаемых покрытий. При соотношении толщин метаемых пластин и пластины из алюминиевого сплава в пакете выходящим за рекомендованные пределы, возможно снижение качества получаемой продукции, либо увеличение доли металла, идущего в отходы после сварки взрывом. Симметричное размещение одинаковых метаемых пластин относительно пластины из алюминиевого сплава в пакете обеспечивает одинаковое качество сварных соединений с двух ее сторон, благодаря одинаковым условиям формирования этих соединений на межслойных границах, способствует получению покрытий высокого качества, снижает вероятность неконтролируемых деформаций при последующей сварке взрывом.
Предложено при сварке взрывом пакета из металлических пластин использовать одинаковые заряды ВВ, располагать их с двух сторон пакета на поверхностях метаемых пластин, и осуществлять сварку взрывом при одновременном инициировании в упомянутых зарядах ВВ процесса детонации со скоростью в каждом из них, равной 2010-2540 м/с, при этом высоту зарядов ВВ и сварочные зазоры между соединяемыми металлами предложено выбирать из условия получения скорости соударения метаемых пластин с пластиной из алюминиевого сплава в пределах 420-500 м/с. Применение одинаковых зарядов ВВ в сочетании с одновременным инициированием в зарядах ВВ процесса детонации обеспечивают одинаковые скоростные режимы метаемых пластин, что, в свою очередь, обеспечивает одинаковое высокое качество сварных соединений с двух сторон пластины из алюминиевого сплава, способствует недопущению неконтролируемых деформаций металлических пластин при сварке взрывом.
При скорости детонации в каждом заряде ВВ и скорости соударения пластин в пакете ниже нижних предлагаемых пределов в зонах соединения пластин возможно появление непроваров, что приводит к невозможности дальнейшего использования полученных заготовок. При скорости детонации ВВ и скорости соударения пластин выше верхних предлагаемых пределов в зонах соединения пластин возможно появление обширных оплавленных зон, а также может происходить избыточное волнообразование, что исключает возможность получения качественных износостойких покрытий на металлических поверхностях со стабильной толщиной. Кроме того, это приводит к неоправданно высокому расходу взрывчатых материалов в расчете на единицу продукции.
Предложено термическую обработку сваренной заготовки проводить при температуре 250-530°С в течение 5-30 ч для получения между слоями из меди и алюминиевого сплава сплошных высокотвердых интерметаллидных диффузионных прослоек, состоящих из алюминия и меди. При температуре и времени выдержки ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемых диффузионных интерметаллидных прослоек оказывается недостаточной, что снижает служебные свойства получаемых изделий. Температура и время выдержки выше верхних предлагаемых пределов являются избыточными, поскольку при этом может происходить заметное ухудшение механических свойств металлических слоев из-за происходящих в них процессов рекристаллизации.
Предложено термически обработанную заготовку охлаждать в водном растворе поваренной соли с концентрацией последней от 15 до 20% для обеспечения самопроизвольного отделения медных слоев от слоя из алюминиевого сплава по диффузионным интерметаллидным прослойкам с формированием при этом на пластинах из меди и алюминиевого сплава высокотвердых износостойких покрытий, состоящих из интерметаллидов системы алюминий-медь.
Охлаждение заготовки после термообработки в водном растворе поваренной соли с предложенной концентрацией последней обеспечивает самопроизвольное, без дополнительных силовых воздействий, отделение медных слоев от слоя из алюминиевого сплава по интерметаллидным диффузионным прослойкам с формированием при этом на пластинах из меди и алюминиевого сплава высокотвердых износостойких покрытий высокого качества. Концентрация поваренной соли в ее водном растворе менее 15% является недостаточной, поскольку при этом может происходить лишь частичное разделение металлических слоев. Ее концентрация более 20% является избыточной, поскольку это приводит к излишнему расходу этой соли в расчете на единицу продукции.
Предложено при составлении пакета из металлических слоев использовать пластину из алюминиевого сплава АМг6, содержащую с двух ее сторон слои из алюминия АД1 с толщиной каждого из них 0,2-0,3 мм, что обеспечивает высокую прочность получаемых изделий, необходимую при их эксплуатации. Алюминиевые слои на пластине из алюминиевого сплава, приваренные к медной пластине, взаимодействуют с медными слоями при термической обработке, что способствует получению интерметаллидных прослоек необходимого состава, а это, в свою очередь, обеспечивает высокую твердость и износостойкость получаемых покрытий. Толщина алюминиевых слоев менее 0,2 мм приводит к снижению качества получаемых покрытий из-за появления в них нежелательных фаз. Толщина слоев из алюминия АД1 на поверхностях алюминиевого сплава АМг6 более 0,3 мм является избыточной, поскольку это приводит к снижению удельной прочности пластины из алюминиевого сплава с нанесенными на нее с двух сторон покрытиями.
Предлагаемый способ получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из меди и алюминиевого сплава и осуществляется в следующей последовательности. Очищают от окислов и загрязнений свариваемые поверхности металлических пластин, после чего составляют трехслойный пакет с симметричным размещением между двумя одинаковыми пластинами из меди (метаемые пластины) пластины из алюминиевого сплава, соотношение толщин метаемых пластин и пластины из алюминиевого сплава в пакете выбирают равным 1:(1-5) при толщине каждой метаемой пластины равной 2-4 мм. Пластины в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии одинаковых технологических сварочных зазоров. Располагают с двух сторон пакета на поверхностях метаемых пластин защитные прослойки из высокоэластичного материала, например, из резины, с одинаковыми зарядами ВВ, располагают полученную сборку вертикально на песчаном грунте и осуществляют сварку взрывом полученной при этом сборки путем одновременного взрыва зарядов ВВ с помощью электродетонатора и двух отрезков детонирующих шнуров равной длины. Скорость детонации каждого заряда ВВ должна быть равной 2010-2540 м/с, при этом их высоту, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают из условия получения скорости соударения метаемых пластин с пластиной из алюминиевого сплава в пределах 420-500 м/с. Затем сваренную заготовку подвергают термической обработке, для чего ее нагревают до температуры 500-530°С, например, в электропечи и выдерживают при этой температуре в течение 5-30 часов для образования в зоне соединения металлических слоев сплошных высокотвердых интерметаллидных диффузионных прослоек. Затем полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией последней от 15 до 20%, что приводит к самопроизвольному отделению медных слоев от слоя из алюминиевого сплава по интерметаллидным диффузионным прослойкам с формированием при этом на пластинах из меди и алюминиевого сплава высокотвердых износостойких покрытий, состоящих из интерметаллидов системы алюминий-медь.
В результате одного технологического цикла получают на двух медных пластинах односторонние высокотвердые износостойкие покрытия, а на пластине из алюминиевого сплава - с двух ее сторон. На всех пластинах твердость поверхностных слоев полученных покрытий примерно одинаковая и равна 11-12 ГПа, что в 4-4,4 раза больше, чем у покрытий по прототипу. В глубине, вплоть до границы с металлом каждой медной пластины твердость покрытия равна 7-9 ГПа, что в 2,5-3,3 раза выше, чем у покрытий по прототипу, а до границ с металлом алюминиевого сплава твердость обоих покрытий равна 6-7 ГПа, что в 2,1-2,5 раз выше, чем у покрытий по прототипу. Благодаря переменной твердости покрытий по их толщине, снижающейся по мере приближения к металлу, полученные покрытия не склонны к отслаиванию от металла как в процессе ускоренного охлаждения в процессе операции разделения выращенных интерметаллидных диффузионных прослоек, так и в процессе эксплуатации полученных материалов в парах трения. Толщина покрытий на медных пластинах - около 40% средней толщины диффузионной интерметаллидной прослойки, а толщина обоих покрытий на пластине из алюминиевого сплава - около 60%.
Пример 1 (см. таблицу, пример 1). Для составления трехслойного пакета под сварку взрывом берут две пластины из меди M1 и пластину из алюминиевого сплава АМг6, содержащую с двух ее сторон слои из алюминия АД1 с толщиной каждого из них 0,2-0,3 мм, и очищают их соединяемые поверхности от окислов и загрязнений.
1
2
1
2
вв
вв
c
Размеры метаемых пластин: длина 300 мм, ширина 200 мм, толщина δ=2 мм. У пластины из алюминиевого сплава длина и ширина такие же, ее толщина δ=2 мм, при этом соотношение толщин δ:δ=1:1. Пластину из алюминиевого сплава в пакете располагают симметрично относительно одинаковых метаемых медных пластин, которые устанавливают параллельно друг другу на расстоянии одинаковых технологических сварочных зазоров. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество со скоростью детонации D=2010 м/с, представляющее собой представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2. Взрывчатое вещество помещают в два одинаковых контейнера, например, из электрокартона, длиной 340 мм, шириной 240 мм, с обеспечением высоты каждого заряда ВВ Н=30 мм. Из предлагаемого диапазона выбираем необходимую для надежной сварки скорость соударения V=420 м/с. Для обеспечения такой скорости с помощью компьютерной технологии, с учетом указанных выше параметров ВВ и свариваемых пластин, определяем величину необходимых сварочных зазоров h между метаемыми медными пластинами и алюминиевой пластиной. Величина каждого из них в данном случае равна: h=3,5 мм. Располагают с двух сторон пакета на поверхностях метаемых пластин защитные прослойки из высокоэластичного материала толщиной 1 мм, например, из резины, с одинаковыми зарядами ВВ, размещают полученную сборку вертикально на песчаном грунте и осуществляют сварку взрывом полученной при этом сборки путем одновременного взрыва зарядов ВВ с помощью электродетонатора и двух отрезков детонирующих шнуров равной длины. Направление детонации - вдоль свариваемого пакета. У сваренного трехслойного пакета, например, на фрезерном станке, обрезают боковые кромки с краевыми эффектами. Ширина удаленных кромок - по 10 мм каждой стороны сваренной заготовки.
Термическую обработку сваренной трехслойной заготовки проводят, например, в муфельной электропечи в специальном герметичном контейнере из коррозионностойкой стали при температуре 530°С в течение 5 ч, что приводит к образованию в зоне соединения металлических слоев сплошных высокотвердых интерметаллидных диффузионных прослоек толщиной около 0,06 мм. Затем полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией К=15%, что приводит к самопроизвольному отделению обоих медных слоев от слоя из алюминиевого сплава по диффузионным интерметаллидным прослойкам с формированием при этом на пластинах из меди и из алюминиевого сплава высокотвердых износостойких покрытий, состоящих из интерметаллидов системы алюминий медь.
В результате получают покрытия сразу на трех пластинах, две из которых из меди M1, а третья - из алюминиевого сплава АМг6, имеющих длину 280 мм, ширину 180 мм, толщину, близкую к исходной. Сплошные высокотвердые износостойкие интерметаллидные покрытия нанесены с одной стороны на каждой из двух медных пластин. Покрытия с аналогичным составом нанесены также с двух сторон пластины из алюминиевого сплава. Твердость всех покрытий на их наружных поверхностях одинаковая и равна 11-12 ГПа, что в 4-4,4 раза больше, чем у покрытий по прототипу. В глубине, вплоть до границ с металлом медных пластин твердость каждого покрытия равна 7-9 ГПа, что в 2,5-3,3 раза выше, чем у покрытий по прототипу, а до границ с металлом пластины из алюминиевого сплава твердость покрытий равна 6-7 ГПа, что в 2,1-2,5 раз выше, чем у покрытий по прототипу. Благодаря переменной твердости покрытий по их толщине, снижающейся по мере приближения к металлу, полученные покрытия не склонны к отслаиванию от металла как в процессе ускоренного охлаждения в процессе операции разделения выращенной интерметаллидной диффузионной прослойки, так и в процессе эксплуатации полученных материалов в парах трения. Толщина покрытия на каждой медной пластине - около 0,025 мм, а на пластине из алюминиевого сплава, с обоих ее сторон, толщина покрытий - около 0,035 мм, что обеспечивает у них возможность достаточно длительной эксплуатации в парах трения.
Пример 2 (см. таблицу, пример 2).
1
2
1
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина метаемых пластин δ=3 мм. У пластины из алюминиевого сплава толщина δ=9 мм, при этом соотношение толщин δ: δ=1:3.
вв
вв
c
Для сварки взрывом выбираем ВВ со скоростью детонации D=2280 м/с, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2, Н=50 мм, скорость соударения V=460 м/с, сварочные зазоры h=3 мм.
Термическую обработку сваренной заготовки проводят, при температуре 450°С в течение 12 ч, что приводит к образованию в зонах соединения металлических слоев сплошных высокотвердых интерметаллидных диффузионных прослоек толщиной около 0,04 мм.
Для самопроизвольного отделения обоих медных слоев от слоя из алюминиевого сплава по интерметаллидным диффузионным прослойкам полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с ее концентрацией К=18%. Результаты получения покрытий на металлических пластинах те же, что в примере 1, но толщина покрытия на каждой медной пластине - около 0,016 мм, а на пластине из алюминиевого сплава толщина обоих покрытий одинаковая - около 0,024 мм.
Пример 3 (см. таблицу, пример 3).
1
2
1
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина метаемых пластин δ=4 мм. У пластины из алюминиевого сплава толщина δ=20 мм, при этом соотношение толщин δ: δ=1:5.
вв
вв
c
Для сварки взрывом выбираем ВВ со скоростью детонации D=2540 м/с, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2, Н=60 мм, скорость соударения V=500 м/с, сварочные зазоры h=5 мм.
Термическую обработку сваренной заготовки проводят, при температуре 350°С в течение 30 ч, что приводит к образованию в зонах соединения металлических слоев сплошных высокотвердых интерметаллидных диффузионных прослоек толщиной около 0,033 мм.
Для самопроизвольного отделения обоих медных слоев от слоя из алюминиевого сплава по интерметаллидным диффузионным прослойкам полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с ее концентрацией К=20%. Результаты получения покрытий на металлических пластинах те же, что в примере 1, но толщина покрытия на каждой медной пластине - около 0,013 мм, а на пластине из алюминиевого сплава толщина обоих покрытий одинаковая - около 0,02 мм.
При получении покрытий на металлических пластинах по прототипу (см. таблицу, пример 4) за один технологический цикл формируют износостойкие покрытия всего лишь на двух металлических пластинах, одна из которых - из меди, другая - из магниевого сплава МА20 с твердостью 2,7-2,8 ГПа, что в 2,5-4,4 раза ниже, чем у покрытий на медных пластинах, полученных по предлагаемому способу, а в сравнении с двусторонними покрытиями, полученными по предлагаемому способу на пластине из алюминиевого сплава, их твердость ниже в 2,1-4,4 раза.