СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ПЛАСТИН ИЗ МЕДИ И МАГНИЕВОГО СПЛАВА
METHOD FOR OBTAINING WEAR-RESISTANT COATINGS ON SURFACES OF COPPER AND MAGNESIUM ALLOY PLATES

Изобретение относится к технологии получения износостойких покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении пар трения, тормозных устройств и т.п.
Известен способ получения плоских теплозащитных элементов с одно- и двусторонними интерметаллидными покрытиями на металлических поверхностях, в том числе на меди и магнии. Технология предусматривает одно- и двустороннее плакирование сваркой взрывом основного слоя металла другим металлом, высокотемпературную диффузионную термическую обработку сваренных взрывом двух- и трехслойных заготовок для формирования на границах раздела интерметаллидных слоев заданной толщины, а также удаление, например, травлением или иным способом оставшихся после термической обработки поверхностных слоев металла. Полученные по этому способу покрытия помимо высоких теплозащитных свойств обладают высокой твердостью и износостойкостью (Трыков Ю.П., Писарев С.П. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство. - 1998, №6, с. 34-35). Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено его малой производительностью - за один технологический цикл покрытие наносят лишь на одну пластину, а также наличием в технологическом процессе весьма трудоемкой операции удаления металла с поверхности интерметаллидного слоя. При удалении наружного металлического слоя методом травления или механической обработкой значительный объем металла идет в отходы. Кроме того, при удалении поверхностного металлического слоя механической обработкой, например шлифованием, на поверхности наблюдаются остатки металлического слоя с пониженной твердостью, а это весьма ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении тормозных устройств, пар трения и т.п.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения износостойких покрытий, 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 (ВВ) 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. Затем заготовку охлаждают на воздухе и подвергают холодной прокатке с обжатием 2-4% для отделения алюминиевого слоя от магниевого по диффузионной интерметаллидной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминия и магния высокотвердых износостойких покрытий. 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, амплитуда волн на поверхностях получаемых покрытий весьма значительна и составляет 0,19-0,33 мм (190-330 мкм), а это весьма ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении ряда тормозных устройств, пар трения и т.п.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа одновременного получения за один технологический цикл износостойких покрытий на пластинах из меди и из магниевого сплава по новой технологической схеме формирования состава и свойств интерметаллидной диффузионной прослойки между металлическими слоями, с исключением из технологического процесса трудоемкой операции прокатки, с существенным упрощением процесса отделения металлических слоев друг от друга по упомянутой прослойке за счет ускоренного охлаждения термически обработанной заготовки в водном растворе поваренной соли, с формированием при этом на пластинах из меди и из магниевого сплава высокотвердых износостойких покрытий с малой амплитудой волн на их наружных поверхностях.
Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью сварки взрывом на оптимальных режимах и последующих термических воздействий на сваренную заготовку путем создания в сваренной и термически обработанной заготовке благоприятной системы внутренних напряжений в процессе ее охлаждения в водном растворе поваренной соли, без применения трудоемких технологических операций прокатки, одновременное получение на пластинах из меди и из магниевого сплава высокотвердых износостойких покрытий с значительно меньшей, чем у изделий по прототипу амплитудой волн на их наружных поверхностях.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из меди и магниевого сплава, включающем составление двухслойного пакета из металлических пластин, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, термическую обработку двухслойной заготовки для получения между металлическими слоями интерметаллидной диффузионной прослойки, отделение металлических слоев друг от друга по диффузионной интерметаллидной прослойке, составляют двухслойный пакет, в котором плакирующая пластина выполнена из меди, а плакируемая - из магниевого сплава, соотношение толщин плакирующей и плакируемой пластин в пакете выбирают равным 1:(2-10) при толщине плакирующего слоя равном 1-2 мм, термическую обработку сваренной заготовки проводят 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, затем полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией последней от 5 до 10%, что приводит к самопроизвольному отделению медного слоя от слоя из магниевого сплава по интерметаллидной диффузионной прослойке с формированием при этом на пластинах из меди и из магниевого сплава высокотвердых износостойких покрытий с малой амплитудой волн на их наружных поверхностях. При реализации способа сварку взрывом пакета из металлических пластин осуществляют при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2070-2580 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочный зазор между пластинами в пакете выбирают из условия получения скорости соударения плакирующей пластины с плакируемой в пределах 520-600 м/с, а для изготовления плакируемой пластины используют магниевый сплав МА20.
Новый способ получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из меди и магниевого сплава имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по используемым материалам, составу получаемых покрытий, а также по совокупности технологических приемов и режимов получения покрытий. Так предложено составлять двухслойный пакет, в котором плакирующая пластина выполнена из меди, а плакируемая - из магниевого сплава, при этом соотношение толщин плакирующей и плакируемой пластин в пакете предложено выбирать равным 1:(2-10) при толщине плакирующего слоя равном 1-2 мм, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений разнородных металлических слоев и получения при последующей термической обработке на межслойной границе сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки, состоящей из меди и компонентов магниевого сплава. При толщине плакирующего слоя менее 1 мм возможны его неконтролируемые деформации при сварке взрывом, а также в процессе разделения металлических слоев. При толщине плакирующего слоя более 2 мм возможно появление оплавов в зоне соединения слоев при сварке взрывом, что снижает качество получаемых покрытий. При соотношении толщин плакирующей и плакируемой пластин в пакете, выходящем за рекомендованные пределы, возможно снижение качества получаемой продукции, либо увеличение доли металла, идущего в отходы после сварки взрывом.
Предложено сварку взрывом осуществлять при скорости детонации взрывчатого вещества 2070-2580 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества и сварочный зазор между слоями пакета выбирать из условия получения скорости соударения плакирующей пластины с плакируемой в пределах 520-600 м/с. При скорости детонации ВВ и скорости соударения пластин в пакете ниже нижних предлагаемых пределов в зоне 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 зоне соединения пластин возможно появление обширных оплавленных зон, 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 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. При температуре и времени выдержки ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемой диффузионной интерметаллидной прослойки оказывается недостаточной, что снижает служебные свойства получаемых изделий. Температура и время выдержки выше верхних предлагаемых пределов являются избыточными, поскольку при этом может происходить заметное ухудшение механических свойств металлических слоев из-за происходящих в них процессов рекристаллизации.
Предложено плакирующую пластину выполнять из меди, что способствует существенному снижению интенсивности волнообразования в зоне контакта металлических слоев в процессе сварки взрывом, а это, в свою очередь, способствует получению покрытий с малой амплитудой волн на их наружных поверхностях.
Использование высокопластичного магниевого сплава МА20 для изготовления плакируемой пластины позволяет устранить вероятность появления в ней трещин в процессе сварки взрывом. Кроме того, содержащиеся в нем легирующие элементы снижают хрупкость получаемых покрытий и тем самым повышают их служебные свойства.
Охлаждение заготовки после термообработки в водном растворе поваренной соли с концентрацией последней от 5 до 10% обеспечивает самопроизвольное, без каких либо дополнительных силовых воздействий, отделение медного слоя от слоя из магниевого сплава по интерметаллидной диффузионной прослойке с формированием при этом на пластинах из меди и из магниевого сплава высокотвердых износостойких покрытий с малой амплитудой волн на их наружных поверхностях. Концентрация поваренной соли в водном растворе поваренной менее 5% является недостаточной, поскольку при этом может происходить лишь частичное разделение металлических слоев. Ее концентрация более 10% является избыточной, поскольку это приводит к лишнему расходу поваренной соли в расчете на единицу продукции.
Предлагаемый способ получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из меди и магниевого сплава осуществляется в следующей последовательности. Составляют двухслойный пакет из предварительно очищенных от окислов и загрязнений металлических пластин, в котором плакирующую пластину выполняют из меди, плакируемую - из магниевого сплава, в качестве которого предложено использовать сплав МА20. Соотношение толщин плакирующей и плакируемой пластин в пакете выбирают равным 1:(2-10) при толщине плакирующего медного слоя равном 1-2 мм. Слои в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии технологического сварочного зазора. Укладывают полученный пакет на основание, размещенное на грунте. На поверхности плакирующей пластины пакета располагают защитную прослойку, например из резины, и контейнер с зарядом ВВ, после чего осуществляют сварку взрывом с инициированием процесса детонации в заряде ВВ с помощью электродетонатора. При сварке взрывом используют ВВ со скоростью детонации 2070-2580 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества и сварочный зазор между пластинами пакета выбирают такими, чтобы скорость соударения плакирующей пластины с плакируемой была в пределах 520-600 м/с. Затем сваренную заготовку подвергают термической обработке, для чего ее нагревают до температуры 450-480°С, например, в электропечи и выдерживают при этой температуре в течение 6-10 часов для образования в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки. Затем полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией последней от 5 до 10%, что приводит к самопроизвольному отделению медного слоя от слоя из магниевого сплава по интерметаллидной диффузионной прослойке с формированием при этом на пластинах из меди и из магниевого сплава высокотвердых износостойких покрытий состоящих из меди и компонентов магниевого сплава.
В результате, без применения трудоемких технологических операций прокатки, получают сразу две пластины одна из которых - из меди, другая - из магниевого сплава МА20 со сплошными высокотвердыми износостойкими интерметаллидными покрытиями на их поверхностях: толщина покрытия на медной пластине составляет около 40% средней толщины диффузионной интерметаллидной прослойки, составляющей 0,13-0,22 мм, а на пластине из магниевого сплава - около 60%. Амплитуда волн на поверхности покрытий не превышает 0,007-0,01 мм, что примерно в 19-47 раз меньше, чем при получении покрытий по прототипу.
Пример 1 (см. таблицу, пример 1).
1
2
1
2
вв
вв
c
Для составления двухслойного пакета под сварку взрывом берут пластины из меди M1 и магниевого сплава МА20 и очищают их соединяемые поверхности от окислов и загрязнений. Размеры плакирующей (метаемой) пластины из меди M1: длина 300 мм, ширина 200 мм, толщина δ=l мм. У плакируемой пластины из магниевого сплава МА20 длина и ширина такие же, но толщина δ=10 мм, при этом соотношение толщин δ:δ=1:10. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество со скоростью детонации D=2580 м/с, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 3:1. Взрывчатое вещество помещают в контейнер высотой Н=20 мм, длиной 340 мм, шириной 240 мм. Из предлагаемого диапазона выбираем необходимую для надежной сварки скорость соударения V=600 м/с. Для обеспечения такой скорости с помощью компьютерной технологии, с учетом указанных выше параметров ВВ и свариваемых пластин, определяем величину необходимого сварочного зазора. Его величина в данном случае равна: h=2,5 мм. После составления пакета из металлических пластин его укладывают на основание из древесностружечной плиты, размещенное на песчаном грунте. Основание имеет длину 300 мм, ширину 200 мм, толщину 20 мм. На поверхность плакирующей пластины укладывают защитную прослойку толщиной 1 мм из высокоэластичного материала - резины, защищающую поверхность метаемой медной пластины от повреждений продуктами детонации взрывчатого вещества, а на ее поверхности располагают контейнер с зарядом взрывчатого вещества. Инициирование взрыва осуществляют с помощью электродетонатора. Направление детонации - вдоль свариваемого пакета. У сваренного пакета, например на фрезерном станке, обрезают боковые кромки с краевыми эффектами. Ширина удаленных кромок - по 10 мм каждой стороны сваренной заготовки.
Термическую обработку сваренной заготовки проводят, например, в муфельной электропечи при температуре 450°С в течение 6 часов, что приводит к образованию в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной 0,13 мм. Затем полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией 10%, что приводит к самопроизвольному отделению медного слоя от слоя из магниевого сплава по интерметаллидной диффузионной прослойке с формированием при этом на пластинах из меди и из магниевого сплава высокотвердых износостойких покрытий состоящих из меди и компонентов магниевого сплава.
В результате, без применения трудоемких технологических операций прокатки, получают сразу две металлические пластины, имеющие длину 280 мм, ширину 180 мм, толщину близкую к исходной, со сплошными высокотвердыми износостойкими интерметаллидными покрытиями на их поверхностях. Толщина покрытия на медной пластине - около 0,05 мм, а на пластине из магниевого сплава - около 0,08 мм. Амплитуда волн на поверхности покрытий не превышает 0,01 мм, что примерно в 19-33 раза меньше, чем при получении покрытий по прототипу. Твердость поверхности покрытий на обеих пластинах одинаковая и равна HV=2,7-2,8 ГПа, что обеспечивает их высокую износостойкость в парах трения, тормозных устройствах и т.п, при этом, благодаря более низкой (в 1,9-2 раза) твердости покрытий, чем у покрытий, получаемых по прототипу, они не склонны к хрупкому разрушению в процессе эксплуатации.
Пример 2 (см. таблицу, пример 2).
1
2
1
2
вв
вв
c
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина плакирующей пластины из меди M1 δ=1,5 мм. У плакируемой пластины из магниевого сплава МА20 толщина δ=6 мм, при этом соотношение их толщин δ:δ=1:4. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество со скоростью детонации D=2280 м/с, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2. Н=40 мм, скорость соударения V=560 м/с, сварочный зазор h=2,5 мм.
Термическую обработку сваренной заготовки проводят, при температуре 465°С в течение 8 часов, что приводит к образованию в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной около 0,19 мм.
Для самопроизвольного отделения медного слоя от слоя из магниевого сплава по интерметаллидной диффузионной прослойке полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией 7%. Результаты получения покрытий на металлических пластинах те же, что в примере 1, но толщина покрытия на медной пластине - около 0,075 мм, а на пластине из магниевого сплава - около 0,115 мм. Амплитуда волн на поверхностях покрытий не превышает 0,008 мм, что примерно в 24-40 раз меньше, чем при получении покрытий по прототипу.
Пример 3 (см. таблицу, пример 3).
1
2
1
2
вв
вв
c
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина плакирующей пластины из меди M1 δ=2 мм. У плакируемой пластины из магниевого сплава МА20 толщина δ=4 мм, при этом соотношение их толщин δ:δ=1:2. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество со скоростью детонации D=2070 м/с, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:3. Н=50 мм, скорость соударения V=520 м/с, сварочный зазор h=3,6 мм.
Термическую обработку сваренной заготовки проводят, при температуре 480°С в течение 10 часов, что приводит к образованию в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной 0,22 мм.
Для самопроизвольного отделения медного слоя от слоя из магниевого сплава по интерметаллидной диффузионной прослойке полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией 5%. Результаты получения покрытий на металлических пластинах те же, что в примере 1, но толщина покрытия на медной пластине - около 0,09 мм, а на пластине из магниевого сплава - около 0,13 мм. Амплитуда волн на поверхностях покрытий не превышает 0,007 мм, что примерно в 27-47 раз меньше, чем при получении покрытий по прототипу.
При получении покрытий на металлических пластинах по прототипу (см. таблицу, пример 4) за один технологический цикл формируют износостойкие покрытия на пластинах из алюминиевого сплава АМг6 и из магниевого сплава МА2-1, при этом толщина покрытия на пластине из АМг6 равна 0,057-0,092 мм, а на пластине из сплава МА2-1 равна 0,038-0,062 мм. Твердость поверхности покрытий на обеих пластинах одинаковая и равна HV=5,2-5,5 ГПа, что в 1,9-2 раза больше, чем у покрытий, получаемых по предлагаемому способу, из-за чего такие покрытия склонны к хрупкому разрушению в процессе эксплуатации. Для разделения металлических пластин по интерметаллидной диффузионной прослойке применяют трудоемкую операцию холодной прокатки, что может приводить к образованию трещин в интерметаллидных покрытиях, снижающих качество получаемой продукции. Кроме того, амплитуда волн на поверхностях получаемых покрытий весьма значительна и составляет 0,19-0,33 мм, что примерно в 19-47 раз больше, чем при получении покрытий по предлагаемому способу, а это весьма ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении ряда тормозных устройств, пар трения и т.п.