СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD OF FABRICATION OF WEAR RESISTANT COATING

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 композиционного материала титан-железо, при котором предварительно составляют многослойный пакет из чередующихся пластин железа и титана с заданным соотношением толщин, сваркой взрывом, отжигом и последующей прокаткой получают композиционный многослойный тонколистовой материал железо-титан с соотношением толщин слоев 1:(2-4) при толщине слоя железа 8-15 мкм, после чего осуществляют дополнительный отжиг при температуре 800-900°C и выдержке 1-4 ч. Данным способом получают детали, предназначенные для работы при повышенных температурах. Помимо повышения жаропрочности в процессе операции отжига повышаются также твердость и износостойкость поверхности материала (патент РФ №2003446, МПК 5 В23К 20/08; В23К 20/04, опубл. 30.11.93, бюл. №43-44).
Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено диффузией железа и титана на всю толщину металлических слоев, что приводит к существенному повышению хрупкости материала, снижению стойкости к разрушению при циклических нагрузках, что весьма ограничивает технологические возможности использования данного способа при создании пар трения и тормозных устройств.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционного материала алюминий-титан, при котором составляют пакет из слоев алюминия и титана, размещают над ним заряд взрывчатого вещества, осуществляют сварку взрывом и проводят отжиг сваренной заготовки; при реализации способа отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к удельной массе алюминиевого слоя равно 1,11-5,0, при этом используют заряд взрывчатого вещества со скоростью детонации, равной 2250-3300 м/с, после сварки пакет подвергают отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия в 1,06-1,14 раза в течение 0,5-2 часов с формированием при этом сплошной теплозащитной интерметаллидной прослойки, с последующим обжатием пакета стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя и одновременной его кристаллизацией. В результате получают двухслойное покрытие на титановой пластине, состоящее из интерметаллидной прослойки и алюминиевого слоя (патент РФ N 2255849, МПК 7 В23К 20/08; В32В 15/01, опубл. 10.07.2005, бюл. №19-прототип).
Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено наличием операции обжатия пакета стальными пуансонами на 20-50% толщины алюминиевого слоя, вследствие чего на поверхности интерметаллидной прослойки остается алюминиевый слой значительной толщины, обладающий весьма низкой твердостью и износостойкостью. Даже в случае удаления алюминиевого слоя с поверхности интерметаллидной прослойки материал не будет обладать высокой износостойкостью и долговечностью при использовании его в парах трения из-за весьма малой толщины интерметаллидной прослойки, не превышающей 25-30 мкм, и недостаточно высокой ее твердостью, а это весьма сужает возможные области применения данного способа при создании пар трения, тормозных устройств и т.п.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения износостойкого интерметаллидного покрытия на поверхности титановой пластины с значительно большей в сравнении с прототипом толщиной интерметаллидного слоя, обладающего значительно большей твердостью, а следовательно и износостойкостью, повышение скорости роста интерметаллидного слоя на базе нового технологического процесса сварки взрывом алюминия с титаном с последующим отжигом на оптимизированных режимах, обжатием пакета стальными пластинами с полным удалением остатков алюминия с поверхности образовавшейся сплошной интерметаллидной прослойки, с дополнительным нагревом и ускоренным охлаждением, способствующим значительному упрочнению интерметаллидного покрытия, а это существенно повышает эффективность материала, полученного по предлагаемому способу в парах трения, тормозных системах и т.п.
Техническим результатом предложенного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью сварки взрывом, а также последующих термических и силовых воздействий получение на поверхности титановой пластины более толстого в сравнении с прототипом износостойкого интерметаллидного покрытия, обладающего повышенной твердостью и износостойкостью, с увеличением при этом скорости роста интерметаллидной прослойки.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения износостойкого покрытия, включающем составление пакета из слоев алюминия и титана, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, отжиг сваренной заготовки при температуре, превышающей температуру плавления алюминия с формированием сплошной интерметаллидной прослойки и обжатие пакета стальными пуансонами, составляют пакет под сварку взрывом из слоев алюминия и титана с соотношением толщин слоев 1:(2-8) при толщине слоя алюминия 1-1,5 мм, располагают на поверхности пакета заряд ВВ и осуществляют сварку взрывом при скорости детонации 1760-2700 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между пластинами пакета выбирают такими, чтобы скорость их соударения при сварке взрывом была в пределах 550-650 м/с, после сварки пакет подвергают отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 90-100°C в течение 1,5-3 часов с формированием между слоями алюминия и титана сплошной интерметаллидной прослойки, затем производят обжатие пакета стальными пуансонами до полного удаления с поверхности интерметаллидной прослойки остатков алюминиевого слоя, после этого полученную заготовку нагревают до температуры 730-740°C, выдерживают в течение 0,2-0,3 часов, а затем ускоренно охлаждают между металлическими пластинами с высокой теплопроводностью с получением на поверхности титановой пластины высокотвердого износостойкого интерметаллидного покрытия. При этом в качестве материала металлических пластин с высокой теплопроводностью используют медь.
В таких условиях воздействия на свариваемый пакет высоких давлений и температур происходит сварка взрывом алюминия с титаном, формируется сплошная интерметаллидная прослойка повышенной толщины, удаляется избыточный алюминиевый слой, а при ускоренном охлаждении с температур окончательной термообработки получают значительное упрочнение интерметаллидного слоя, что способствует повышению износостойкости покрытия в парах трения и тормозных устройствах с сохранением высоких механических свойств титанового слоя.
Новый способ получения износостойкого покрытия имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по строению и свойствам полученного материала, так и по совокупности технологических приемов воздействия на свариваемый пакет и режимов осуществления способа. Так предложено составлять пакет под сварку взрывом из слоев алюминия и титана с соотношением толщин слоев 1:(2-8) при толщине слоя алюминия 1-1,5 мм. При толщине слоя алюминия менее 1 мм из-за его малой прочности на изгиб затруднено обеспечение постоянного сварочного зазора между свариваемыми слоями, что может приводить к некачественной сварке. Толщина слоя алюминия более 1,5 мм является избыточной, поскольку в этом случае в процессе дальнейшего высокотемпературного обжатия сваренной заготовки неоправданно большое количество алюминия уйдет в отходы. Соотношение толщин слоев алюминия и титана 1:(2-8) является оптимальным, поскольку при этом сводятся к минимуму неконтролируемые деформации металлических слоев при минимальном расходе дорогостоящего титана в расчете на одно изделие. При соотношении толщин слоев алюминия и титана выше верхнего предлагаемого предела толщина слоя титана оказывается недостаточной для обеспечения его механической прочности в процессе нанесения на него износостойкого покрытия. Кроме того, у титанового слоя в процессе сварки взрывом возможны неконтролируемые деформации, что может ухудшить качество получаемого материала. При величине этого соотношения ниже нижнего предлагаемого предела толщина титанового слоя является избыточной, поскольку это приводит к увеличению площади краевых эффектов по периметру сваренной заготовки, поэтому значительный объем титана в расчете на одно изделие уйдет в отходы.
Предложено осуществлять сварку взрывом при скорости детонации 1760-2700 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между пластинами пакета выбирать такими, чтобы скорость их соударения при сварке взрывом была в пределах 550-650 м/с, что обеспечивает качественную сварку алюминия с титаном без неконтролируемых деформаций и разрушений металлических слоев при минимальном расходе взрывчатого вещества в расчете на одно изделие. При скорости детонации ВВ и скорости соударения алюминиевого слоя с титановым ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров, а это снижает качество получаемого материала. При скорости детонации взрывчатого вещества и скорости соударения алюминия с титаном выше верхних предлагаемых пределов увеличивается вероятность неконтролируемых деформаций, возрастает экономически нецелесообразный расход взрывчатого вещества в расчете на одно изделие.
Предложено после сварки пакет подвергать отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 90-100°C в течение 1,5-3 часов с формированием между слоями алюминия и титана сплошной интерметаллидной прослойки, затем производят обжатие пакета стальными пуансонами до полного удаления с поверхности интерметаллидной прослойки остатков алюминиевого слоя. Это создает необходимые условия для образования на поверхности титановой пластины интерметаллидной прослойки большой толщины, а полное удаление остатков алюминиевого слоя способствует повышению износостойкости поверхности получаемого материала. Температура и время отжига ниже нижнего предлагаемого предела приводят к тому, что толщина получаемой интерметаллидной прослойки оказывается недостаточной, что снижает долговечность получаемого материала в парах трения и тормозных устройствах. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку толщина интерметаллидной прослойки становится чрезмерной, при этом повышается вероятность хрупкого разрушения получаемого покрытия при последующей термической обработке.
Предложено полученную заготовку нагревать до температуры 730-740°C, выдерживать в течение 0,2-0,3 часов, а затем ускоренно охлаждать между металлическими пластинами с высокой теплопроводностью с получением на поверхности титановой пластины высокотвердого износостойкого интерметаллидного покрытия, при этом в качестве материала металлических пластин с высокой теплопроводностью предложено использовать медь. Это способствует существенному повышению твердости и износостойкости получаемого покрытия, устраняет возможность трещинообразования в интерметаллидном слое в процессе ускоренного охлаждения.
При температуре нагрева и времени выдержки ниже нижнего предлагаемого предела не получают максимального эффекта упрочнения на всей поверхности интерметаллидного слоя, что снижает износостойкость получаемого материала. При температуре нагрева и времени выдержки выше верхнего предлагаемого предела повышается вероятность трещинообразования в интерметаллидном слое в процессе ускоренного охлаждения между металлическими пластинами с высокой теплопроводностью, что снижает качество получаемого материала. В качестве материала металлических пластин с высокой теплопроводностью предложено использовать медь. Медь является сравнительно дешевым и прочным материалом, который обеспечивает интенсивный теплоотвод от нагретой заготовки и значительный эффект упрочнения интерметаллидного покрытия, что способствует существенному повышению его износостойкости при использовании полученного материала при создании пар трения, тормозных устройств и т.п.
В результате за короткое время отжига на титановой пластине получают высокотвердое износостойкое интерметаллидное покрытие повышенной толщины. Толщина интерметаллидного слоя на титановой пластине в 10-22,3 раз больше, чем при получении материала по прототипу. Скорость роста интерметаллидной прослойки в 3,22-14,6 раз больше, чем по прототипу.
Твердость полученного интерметаллидного износостойкого покрытия по Виккерсу 7-7,5 ГПа, что в 1,27-1,5 раза больше, чем твердость интерметаллидного слоя у материала, полученного по прототипу, твердость которого не превышает 5-5,5 ГПа, а это способствует существенному повышению износостойкости и долговечности полученного материала с покрытием в парах трения, тормозных устройствах и т.п. при минимальных энергозатратах на получение материала.
Предлагаемый способ получения износостойкого покрытия осуществляется в следующей последовательности. Составляют пакет из предварительно очищенных от окислов и загрязнений слоев алюминия и титана. Слои в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии технологического сварочного зазора, при этом соотношение толщин слоев алюминия и титана выбирают равным 1:(2-8) при толщине слоя алюминия 1-1,5 мм. Укладывают полученный пакет на основание, размещенное на грунте. На поверхности пакета располагают контейнер с зарядом ВВ и осуществляют сварку взрывом с инициированием процесса детонации в заряде ВВ с помощью электродетонатора. При сварке используют ВВ со скоростью детонации 1760-2700 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между пластинами пакета выбирают такими, чтобы скорость их соударения при сварке взрывом была в пределах 550-650 м/с. Затем, например, на фрезерном станке обрезают боковые кромки сваренного пакета с краевыми эффектами, на поверхность титана наносят технологическую обмазку для защиты его от воздействия воздушной атмосферы, укладывают сваренный пакет в специальное приспособление, исключающее растекание алюминиевого слоя при отжиге и подвергают сваренную заготовку отжигу путем нагрева, например в электропечи, до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 90-100°C в течение 1,5-3 часов для формирования сплошной интерметаллидной прослойки. По истечении времени выдержки при отжиге сваренный пакет со сформированной интерметаллидной прослойкой между алюминием и титаном вместе с приспособлением располагают между плоскими стальными пуансонами, например, гидравлического пресса. Длина и ширина пуансонов соответствуют длине и ширине сваренной взрывом заготовки. Обжатие пакета стальными пуансонами до полного удаления с поверхности интерметаллидной прослойки не прореагировавших с титаном остатков алюминиевого слоя. После охлаждения полученную заготовку извлекают из приспособления и нагревают до температуры 730-740°C, выдерживают в течение 0,2-0,3 часов, а затем ускоренно охлаждают между металлическими пластинами с высокой теплопроводностью с получением на поверхности титановой пластины высокотвердого износостойкого интерметаллидного покрытия, при этом в качестве материала металлических пластин с высокой теплопроводностью используют медь.
инт
В результате получают износостойкое покрытие толщиной 300-580 мкм на титановой пластине, что в 10-22,3 раза превышает толщину твердого интерметаллидного слоя в материале, получаемом по прототипу. Твердость износостойкого покрытия 7-7,5 ГПа, что в 1,27-1,5 раза больше, чем у интерметаллидной прослойки в материале, получаемом по прототипу. Скорость роста толщины интерметаллидной прослойки V=3,22-3,67 мкм/мин, что в 3,22-16,7 раз больше, чем в материале, получаемом по прототипу.
Пример 1 (см. таблицу, опыт 1)
Al
Ti
BB
ВВ
ВВ
3
Берут пластины из алюминия АД1 и титанового сплава ОТ4 и очищают их от окислов и загрязнений. Размеры алюминиевой пластины: длина 150 мм, ширина 120 мм, толщина δ=1 мм. У титановой пластины длина и ширина такие же, как у алюминиевой, но толщина δ=2 мм, при этом соотношение толщин слоев алюминия и титана равно 1:2. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D=1760 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2 с насыпной плотностью ρ=0,92-0,95 г/см. Взрывчатое вещество помещают в контейнер высотой Н=20 мм, длиной 200 мм, шириной 120 мм. Из предлагаемого диапазона выбираем необходимую для надежной сварки скорость соударения: V=550 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=0,7 мм. Составляют пакет под сварку взрывом из слоев алюминия и титана и укладывают его на основание из древесно-стружечной плиты, размещенное на песчаном грунте. Основание имеет длину 150 мм, ширину 120 мм, толщину 20 мм. На поверхность метаемого алюминиевого слоя пакета устанавливают контейнер с зарядом ВВ. Инициирование взрыва осуществляют с помощью электродетонатора. Направление детонации - вдоль свариваемого пакета.
от
от
После сварки у пакета на фрезерном станке обрезают боковые кромки с краевыми эффектами. Ширина удаленных кромок - по 8 мм с каждой стороны заготовки. Обмазывают поверхность титанового слоя защитной технологической обмазкой, например, смесью жидкого стекла с оксидом хрома, устанавливают сваренную заготовку в специальное приспособление в виде стальной оболочки прямоугольной формы и помещают полученную сборку в муфельную электрическую печь для отжига. Отжиг проводили при температуре t=750°C, что превышает температуру плавления алюминия на 90°C. Время выдержки при отжиге τ=1,5 часа.
з.т
з.т
По истечении времени выдержки сваренный пакет со сформированной интерметаллидной прослойки, вместе с приспособлением, располагают между плоскими стальными пуансонами, например, гидравлического пресса и осуществляли обжатие заготовки до полного удаления с поверхности сформированной интерметаллидной прослойки остатков алюминиевого слоя. После охлаждения полученную заготовку нагревают в электропечи до температуры t=730°C, выдерживают в течение τ=0,2 часа, а затем ускоренно охлаждают, зажав ее с помощью пресса между металлическими пластинами с высокой теплопроводностью, выполненными из меди. Длина пластин - 180 мм, ширина - 150 мм, толщина - 20 мм.
В результате получают на титановой пластине износостойкое покрытие толщиной
инт
инт
инт
инт
инт
δ=300 мкм, что в 10-11,5 раз превышает толщину интерметаллидной прослойки в материале, полученном по прототипу. Твердость покрытия составляет 7-7,5 ГПа, что в 1,27-1,5 раз больше, чем у интерметаллидной прослойки в материале, полученном по прототипу. Скорость роста интерметаллидной прослойки V=δ:τ=300:90=3,33 мкм/мин. При получении материала по прототипу скорость роста интерметаллидной прослойки составляет 0,22-1 мкм/мин. Таким образом, V по предлагаемому способу в 3,33-15,1 раза больше, чем по прототипу, что способствует существенному снижению энергозатрат на формирование каждого микрометра интерметаллидной прослойки.
Пример 2 (см. таблицу, опыт 2)
Al
Ti
Al
Ti
ВВ
ВВ
BB
от
от
з.т
з.т
3
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина алюминиевой пластины δ=1,2 мм, титановой: δ=6 мм. Соотношение толщин слоев δ:δ=1:5. Для сварки взрывом используют ВВ с насыпной плотностью ρ=0,9-0,91 г/см, представляющее собой смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:1. Высота заряда ВВ Н=15 мм, скорость детонации D=2000 м/с, сварочный зазор h=1,0 мм, скорость соударения V=600 м/с. Температура отжига t=755°C, что превышает температуру плавления алюминия на 95°C, время выдержки при отжиге τ=2 часа. Заключительную упрочняющую термообработку проводим при температуре t=735°C с выдержкой τ=0,25 часа.
В результате получают на титановой пластине износостойкое покрытие толщиной
инт
инт
инт
инт
инт
δ=440 мкм, что в 14,7-16,9 раз превышает δ в материале, полученном по прототипу. V=δ:τ=440:120=3, 67 мкм/мин, что в 3,67-16,7 раз больше, чем по прототипу.
Пример 3 (см. таблицу, опыт 3)
Al
Ti
Al
Ti
ВВ
ВВ
BB
от
от
з.т.
з.т.
3
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина алюминиевой пластины δ=1,5 мм, титановой δ=12 мм. Соотношение толщин слоев δ:δ=1:8. Для сварки взрывом используют аммонит 6ЖВ с насыпной плотностью ρ=0,68-0,72 г/см, Н=15 мм, D=2700 м/с, сварочный зазор h=1,0 мм, скорость соударения V=650 м/с. Температура отжига t=760°C, что превышает температуру плавления алюминия на 100°С, τ=3 часа. Заключительную упрочняющую термообработку проводили при температуре t=740°C с выдержкой τ=0,3 часа.
В результате получают на титановой пластине износостойкое покрытие толщиной
инт
инт
инт
инт
инт
δ=580 мкм, что в 19,3-22,3 раза превышает δ в материале, полученном по прототипу. V=δ:τ=580:180=3,22 мкм/мин, что в 3,22-14,6 раз больше, чем по прототипу.
инт
инт
инт
При получении композиционного материала по прототипу (см. таблицу, опыт 4) получают титановую пластину с покрытием на ее поверхности, состоящим из сплошного интерметаллидного слоя толщиной δ=26-30 мкм и алюминиевого слоя толщиной 1-4,8 мм. Твердость интерметаллидной прослойки Н=5-5,5 ГПа, что в 1,27-1,5 раза меньше, чем по предлагаемому способу. Толщина δ в 10-22,3 раза, а V в 3,22-16,7 раз меньше, чем в материале, полученном по предлагаемому способу. Алюминиевая прослойка придает материалу крайне низкую износостойкость из-за весьма малой ее твердости, не превышающей 250 МПа.