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

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 с ее концентрацией 5-10%, 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 невысокая 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 покрытия на пластинах из меди и алюминиевого сплава.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа одновременного получения (за один технологический цикл) износостойких покрытий на пластинах из алюминиевого сплава и меди, с значительно большей твердостью, по новой технологической схеме формирования состава и свойств интерметаллидной диффузионной прослойки между металлическими слоями.
Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью сварки взрывом на оптимальных режимах пластины из алюминиевого сплава с медной пластиной 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 с оптимальной концентрацией последней, одновременное получение на пластинах из алюминиевого сплава и меди высокотвердых износостойких покрытий с значительно большей твердостью, чем у изделий по прототипу, не склонных при этом к отслаиванию от металла как в процессе ускоренного охлаждения в процессе операции разделения выращенной интерметаллидной диффузионной прослойки, так и в процессе эксплуатации изделий с покрытиями в парах трения.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из алюминиевого сплава и меди, включающем составление двухслойного пакета из металлических пластин, размещение над ним заряда ВВ, 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 путем охлаждения полученной заготовки в водном растворе поваренной соли с формированием при этом на поверхностях разнородных металлических слоев износостойких покрытий, составляют упомянутый пакет, в котором плакирующая пластина выполнена из алюминиевого сплава, а плакируемая - из меди, соотношение толщин плакирующей и плакируемой пластин в пакете выбирают равным 1:(1-3) при толщине плакирующей пластины, равной 2-5 мм, сварку взрывом пакета из металлических пластин осуществляют при скорости детонации заряда ВВ 2200-2580 м/с, при этом высоту заряда ВВ, а также сварочный зазор между пластинами в пакете выбирают из условия получения скорости соударения плакирующей пластины с плакируемой в пределах 430-500 м/с, термическую обработку сваренной заготовки проводят при температуре 350-530°С в течение 5-30 ч для получения между слоями из алюминиевого сплава и меди сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки из алюминия и меди, а затем осуществляют охлаждение полученной заготовки в водном растворе поваренной соли с концентрацией последней от 15 до 20%, обеспечивающее самопроизвольное отделение слоя из алюминиевого сплава от медного слоя по диффузионной интерметаллидной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминиевого сплава и меди высокотвердых износостойких покрытий, состоящих из интерметаллидов системы алюминий-медь.
При реализации способа используется плакирующая пластина из алюминиевого сплава АМг6, содержащая 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 алюминиевого сплава и меди 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 двухслойный пакет, в котором плакирующая пластина выполнена из алюминиевого сплава, а плакируемая - из меди, при этом соотношение толщин плакирующей и плакируемой пластин в пакете выбирают равным 1:(1-3) при толщине плакирующей пластины, равной 2-5 мм, что создает необходимые условия для получения качественных сварных соединений разнородных металлических слоев и получения при последующей термической обработке на межслойной границе сваренных металлических пластин сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки, состоящей из алюминия и меди.
При толщине плакирующей пластины менее 2 мм возможны ее неконтролируемые деформации при сварке взрывом, а также в процессе разделения металлических слоев. При толщине плакирующей пластины более 5 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, выходящим 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 2200-2580 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 430-500 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, 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 350-530°С в течение 5-30 часов для получения между слоями из алюминиевого сплава и меди и сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки, состоящей из алюминия и меди.
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 использовать плакирующую 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. Один из плакирующих слоев из алюминия АД1 на поверхности сплава АМг6, при его диффузионном взаимодействии с медью в процессе термической обработки, способствует получению интерметаллидной прослойки необходимого состава, что, в свою очередь, обеспечивает высокую твердость и износостойкость получаемых покрытий. Слой из алюминия АД1 с другой стороны плакирующей пластины обеспечивает защиту ее поверхности в готовом изделии от коррозионного воздействия окружающей среды. Толщина алюминиевого слоя с одной стороны плакирующей пластины менее 0,2 мм приводит к снижению качества получаемых покрытий из-за появления в них нежелательных фаз, а с другой ее стороны это приводит к снижению защитных свойств алюминиевого слоя поверхности сплава АМг6 от окисления. Толщина слоев из алюминия АД1 на поверхности сплава АМг6 более 0,3 мм является избыточной, поскольку это приводит к снижению удельной прочности пластины из алюминиевого сплава с нанесенным на нее покрытием.
Охлаждение заготовки после термообработки в водном растворе поваренной соли с концентрацией последней от 15 до 20% обеспечивает самопроизвольное, без дополнительных силовых воздействий, отделение слоя из алюминиевого сплава от медного по интерметаллидной диффузионной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминиевого сплава и меди высокотвердых износостойких покрытий. 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 лишнему расходу поваренной соли в расчете на единицу продукции.
Предлагаемый способ получения износостойких покрытий на поверхностях пластин из алюминиевого сплава и меди осуществляется в следующей последовательности. Составляют двухслойный пакет из предварительно очищенных от окислов и загрязнений металлических пластин, в котором плакирующую пластину выполняют из алюминиевого сплава, АМг6, содержащую с двух ее сторон слои из алюминия АД1 с толщиной каждого из них 0,2-0,3 мм, плакируемую - из меди. Соотношение толщин плакирующей и плакируемой пластин в пакете выбирают равным 1:(1-3) при толщине плакирующего медного слоя равном 2-5 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 из высокоэластичного материала, 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 2200-2580 м/с, при этом высоту заряда ВВ и сварочный зазор между пластинами пакета выбирают такими, чтобы скорость соударения плакирующей пластины с плакируемой была в пределах 430-500 м/с. Затем сваренную заготовку подвергают термической обработке, для чего ее нагревают до температуры 350-530°С, например, в электропечи и выдерживают при этой температуре в течение 5-30 ч для образования в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки. Затем полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с ее концентрацией от 15 до 20%, что приводит к самопроизвольному отделению слоя из алюминиевого сплава от медного по интерметаллидной диффузионной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминиевого сплава и меди высокотвердых износостойких покрытий, состоящих из алюминия и меди.
В результате одновременно получают на двух пластинах, одна из которых - из алюминиевого сплава АМг6, другая - из меди, сплошные высокотвердые износостойкие интерметаллидные покрытия на их поверхностях, состоящие из алюминия и меди, твердость которых на наружных поверхностях обоих пластин 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 алюминиевого сплава, твердость покрытия равна 6-7 ГПа, что в 2,1-2,5 раза выше, чем у покрытия по прототипу, а до границы с металлом медной пластины твердость покрытия равна 7-9 ГПа, что в 2,5-3,3 раза 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 пластине из алюминиевого сплава составляет около 60% средней толщины диффузионной интерметаллидной прослойки, а на медной пластине - около 40%.
Пример 1 (см. таблицу, пример 1).
1
2
1
2
вв
вв
c
Для составления двухслойного пакета под сварку взрывом берут две пластины, одна из которых из алюминиевого сплава АМг6, содержащая с двух ее сторон слои из алюминия АД1 с толщиной каждого из них 0,2-0,3 мм, другая - из меди M1 и очищают их соединяемые поверхности от окислов и загрязнений. Размеры плакирующей (метаемой) пластины из алюминиевого сплава: длина 300 мм, ширина 200 мм, толщина δ=2 мм. У плакируемой пластины из меди длина и ширина такие же, а также и ее толщина δ=2 мм, при этом соотношение толщин δ:δ=1:1. Для сварки взрывом выбираем взрывчатое вещество в виде аммонита 6ЖВ со скоростью детонации D=2200 м/с, Взрывчатое вещество помещают в контейнер, например из электрокартона, с обеспечением высоты заряда ВВ высотой Н=10 мм, длиной 340 мм, шириной 240 мм. Из предлагаемого диапазона выбираем необходимую для надежной сварки скорость соударения V=430 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=0,8 мм.
После составления пакета из металлических пластин его укладывают на основание из древесностружечной плиты, размещенное на песчаном грунте. Основание имеет длину 320 мм, ширину 220 мм, толщину 20 мм. На поверхность плакирующей пластины укладывают защитную прослойку толщиной 1 мм из высокоэластичного материала - резины, защищающую поверхность метаемой плакирующей пластины от повреждений продуктами детонации ВВ, а на ее поверхности располагают контейнер с зарядом ВВ. Инициирование взрыва осуществляют с помощью электродетонатора. Направление детонации - вдоль свариваемого пакета из металлических пластин. 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 в специальном герметичном контейнере из коррозионностойкой стали при температуре 530°С в течение 5 ч, что приводит к образованию в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной около 0,06 мм. Затем полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией К=15%, что приводит к самопроизвольному отделению слоя из алюминиевого сплава от медного слоя по диффузионной интерметаллидной прослойке с формированием при этом на пластинах из алюминиевого сплава и меди высокотвердых износостойких покрытий, состоящих из интерметаллидов системы алюминий медь.
В результате получают сразу на двух пластинах, одна из которых из алюминиевого сплава АМг6, другая - из меди, имеющих длину 280 мм, ширину 180 мм, толщину близкую к исходной, сплошные высокотвердые износостойкие интерметаллидные покрытия на их поверхностях, состоящих из алюминия и меди, твердость которых 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 границы с металлом алюминиевого сплава, твердость покрытия равна 6-7 ГПа, что в 2,1-2,5 раз выше, чем у покрытия по прототипу, а до границы с металлом медной пластины твердость покрытия равна 7-9 ГПа, что в 2,5-3,3 раза 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 пластине из алюминиевого сплава - около 0,035 мм, на медной пластине - около 0,025 мм, что обеспечивает у них возможность достаточно длительной эксплуатации в парах трения.
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 алюминиевого сплава δ=3,5 мм. У плакируемой пластины из меди M1 толщина δ=7 мм, при этом соотношение их толщин δ:δ=1:2. Для сварки взрывом выбираем ВВ со скоростью детонации D=2310 м/с, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 3:1, Н=15 мм, скорость соударения V=460 м/с, сварочный зазор h=2 мм.
Термическую обработку сваренной заготовки проводят, при температуре 450°С в течение 12 часов, что приводит к образованию в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной около 0,04 мм.
Для самопроизвольного отделения слоя из алюминиевого сплава от медного слоя по интерметаллидной диффузионной прослойке полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией К=18%.
Результаты получения покрытий на металлических пластинах те же, что в примере 1, но толщина покрытия на пластине из алюминиевого сплава - около 0,024 мм, на медной пластине - около 0,016 мм.
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 алюминиевого сплава δ=5 мм. У плакируемой пластины из меди M1 толщина δ=15 мм, при этом соотношение их толщин δ:δ=1:3. Для сварки взрывом выбираем ВВ со скоростью детонации D=2580 м/с, представляющее собой смесь порошкообразного аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 3:1, Н=20 мм, скорость соударения V=500 м/с, сварочный зазор h=3 мм.
Термическую обработку сваренной заготовки проводят, при температуре 350°С в течение 30 ч, что приводит к образованию в зоне соединения металлических слоев сплошной высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной около 0,033 мм.
Для самопроизвольного отделения слоя из алюминиевого сплава от медного слоя по интерметаллидной диффузионной прослойке полученную заготовку охлаждают в водном растворе поваренной соли с концентрацией К=20%. Результаты получения покрытий на металлических пластинах те же, что в примере 1, но толщина покрытия на пластине из алюминиевого сплава - около 0,02 мм, на медной пластине - около 0,013 мм.
При получении покрытий на металлических пластинах по прототипу (см. таблицу, пример 4) за один технологический цикл формируют износостойкие покрытия на металлических пластинах, одна из которых - из меди, другая - из магниевого сплава МА20, с твердостью покрытий на этих пластинах 2,7-2,8 ГПа, что в 2,1-4,4 раза ниже, чем у покрытия на пластине из алюминиевого сплава, полученного по предлагаемому способу, а в сравнении с покрытием по предлагаемому способу на медной пластине - ниже в 2,5-4,4 раза.