способ получения биметаллического материала

Формула изобретения

1. Способ получения биметаллического материала сталь-титан преимущественно для крупногабаритных заготовок, включающий соединение, по меньшей мере, двух предварительно обработанных пластин, при котором метаемую пластину устанавливают над неподвижной пластиной с зазором и инициируют расположенный над ней заряд взрывчатого вещества, отличающийся тем, что обработку поверхности одной из пластин перед соединением осуществляют катодными пятнами вакуумной дуги, возбуждаемой между поверхностью пластины, используемой в качестве катода, и анодом, а после соединения проводят термообработку полученного материала при температуре 500-600°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что катодными пятнами вакуумной дуги обрабатывают поверхность другой пластины.

Описание изобретения к патенту

Предложение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении биметаллических заготовок из разнородных металлов.

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Часто требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Удовлетворить эти требования можно путем использования композиционных материалов.

Композиционным материалом называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам взаимно нерастворимых компонентов, строение которой позволяет использовать преимущества каждого из них.

Наиболее эффективным способом получения заготовок и деталей с такими свойствами является создание их в виде двух- или многослойных композиций. В металлургии и в машиностроении, как в отечественной, так и в зарубежной практике применяют ряд способов получения биметаллических материалов и заготовок. Важнейшими из них являются электродуговая и электрошлаковая наплавка, заливка и пакетная прокатка, сварка взрывом.

Однако все они имеют существенные недостатки.

К недостаткам наплавки относятся высокая трудоемкость; недостаточно ровная поверхность наплавки, требующая зачистки и шлифования; необходимость нанесения нескольких слоев для подавления эффекта разбавления металла наплавки основным металлом; невозможность наплавки в тех случаях, когда между металлом наплавки и основания происходит образование хрупких интерметаллидных прослоек.

Этих недостатков лишены способы получения биметаллических материалов путем пакетной прокатки.

Известен способ получения заготовки из листовой двухслойной стали, плакированной хромистыми коррозийно-стойкими сталями [1].

Для этого поверхность заготовки из перлитной стали тщательно очищают от окалины и покрывают тонким слоем никеля, после чего на него укладывают плакирующий лист из высоколегированной стали. Прослойка никеля предупреждает интенсивную диффузию углерода из основного слоя в плакирующий слой с высоким содержанием хрома. При нагреве на поверхности высокохромистой стали образуется тонкая пленка окислов, однако она дробится при прокатке, обнажая ювенильные поверхности, между которыми в результате значительной пластической деформации при высокой температуре образуется прочное сварное соединение.

К недостаткам пакетной прокатки относится высокая трудоемкость подготовительных операций.

Существенная особенность плакирования взрывом состоит в возможности соединения между собой металлов, сварка которых другими способами сложна или практически исключена. Это относится, в частности, к металлам и сплавам, образующим очень твердые и хрупкие интерметаллиды, например, стали с алюминием или титаном. Сварка взрывом позволяет получать биметаллические материалы практически любой композиции.

Под термином «сварка взрывом» понимается явление соединения металлических пластин, произошедшее при их соударении вследствие метания продуктами детонации взрывчатого вещества.

Однако для получения высококачественного соединения при сварке взрывом необходима предварительная очистка соединяемых поверхностей.

Известен способ получения биметаллического материала путем сварки взрывом, включающий механическую зачистку свариваемых поверхностей до металлического блеска [2].

Недостатком данного способа является то, что любая механическая обработка металла сопровождается значительным механическим наклепом поверхностных слоев. Это приводит при их пластическом течении в зоне физического контакта в условиях неравноосного всестороннего сжатия к излишнему тепловыделению с образованием оплавленных участков или интерметаллидных включений, отрицательно влияющих на прочность соединения. Это объясняется тем, что значительные по величине пластические деформации в зоне волнообразования, сопровождающего процесс сварки взрывом, в данном случае протекают не за счет накопления и взаимодействия между собой дефектов кристаллической структуры, а за счет аннигиляции накопленных при механической обработке дефектов с выделением их энергии в виде тепла.

Следует отметить, что не существует доступных и достоверных методов для контроля распределения такого рода скрытых дефектов поверхности, чем объясняется существенная неоднородность в распределении по площади сварки прочности соединения слоев.

Известен также способ получения многослойной ленты из пакета заранее подготовленных полос путем их очистки, сборки в пакет и совместной прокатки [3].

В рамках данного способа очистка исходных лент осуществляется их травлением в серной кислоте, сушкой и обработкой соединяемых поверхностей металлическими щетками. Такая технология трудоемка, дорога, опасна для персонала и окружающей среды и не обеспечивает высокого качества очистки, гарантирующего нужную прочность соединения разнородных металлов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является способ получения крупногабаритных биметаллических листов сталь-титан сваркой взрывом [4].

Недостатками известного способа является то, что при соединении сваркой взрывом сплавов титана со сталями различных классов невозможно получить качественный материал из-за образования на границе соединения хрупких расплавов вследствие нестабильности самого процесса сварки, и неоднородности свойств поверхности соединяемых материалов. Хрупкие расплавы переменного состава образуются в зоне максимального упрочнения с пониженной пластичностью, в зоне действия высоких остаточных растягивающих напряжений. Это значительно снижает стабильность механических характеристик соединения и обуславливает зернограничный характер разрушения по зоне соединения.

Из приведенного анализа уровня техники видно, что разработка простого и экономичного способа получения качественного биметаллического материала с прочным соединением разнородных поверхностей является актуальной задачей, трудность решения которой возрастает при получении крупногабаритных заготовок, то есть с увеличением площади соединяемых поверхностей.

При этом все существующие механические и электрохимические способы подготовки поверхностей перед соединением разнородных материалов не дают положительного результата. При тщательно подобранных параметрах процесса сварки взрывом можно снизить количество хрупких включений в получаемой диффузионной прослойке до 8%. Толщина этого слоя, как правило, составляет 10-40 мкм.

Следует отметить, что при дальнейшем термическом воздействии исходная прочность, начиная с температур порядка 450°С, снижается за счет роста хрупких диффузионных прослоек. Как следствие, для сплавов титана со сталями при сварке взрывом за счет оптимально выбранных режимов возможно образование прочных сварных соединений, однако такие заготовки не могут быть подвергнуты термическому воздействию выше 450°С без снижения прочностных характеристик соединения.

Технический результат заявляемого решения заключается в достижении стабильного уровня прочности по всей площади соединенных поверхностей, преимущественно крупногабаритных заготовок, путем повышения однородности поверхностей при подготовке их перед соединением и создания оптимального сочетания остаточных напряжений после соединения.

Для достижения указанного технического результата в способе получения биметаллического материала сталь-титан, преимущественно для крупногабаритных заготовок, включающего соединение, по меньшей мере, двух предварительно обработанных пластин, при котором метаемую пластину устанавливают над неподвижной пластиной с зазором и инициируют расположенный над ней заряд взрывчатого вещества, согласно предложению, обработку поверхности одной из пластин перед соединением осуществляют катодными пятнами вакуумной дуги, возбуждаемой между поверхностью пластины, используемой в качестве катода, и анодом, а после соединения проводят термообработку полученного материала при температуре 500-600°С. Также, согласно предложению, катодными пятнами вакуумной дуги обрабатывают поверхность другой пластины.

Наличие отличительных признаков, а именно предварительная обработка поверхности одной и/или другой пластины перед соединением катодными пятнами вакуумной дуги, возбуждаемой между поверхностью пластины и анодом, а также последующая термообработка полученного сваркой взрывом материала при температуре 500-600°С, свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».

Из патентной литературы известен способ изготовления многослойной металлической ленты, включающий обработку поверхности исходных листов в вакууме, сборку в пакет и прокатку, причем обработку поверхностей основного и плакирующих листов проводят с помощью катодных пятен вакуумно-дугового разряда, возбуждаемого между лентой и графитовым анодом [5].

Катодные пятна электрической дуги перемещаются по поверхностям листов под воздействием внешнего электрического поля со скоростью порядка сотен метров в секунду. В катодном пятне выделяется энергия плотностью около 10¹¹ Вт/м ², а температура достигает 5×10³ 10×10³К, при этом все оксиды, адсорбированные пленки и инородные неметаллические включения (например, окалина) с поверхности листа диссоциируют, ионизируются или переходят в газообразное состояние. Причем положительно заряженные ионы металлов под действием катодного падения напряжения ускоряются и осуществляют катодную бомбардировку обрабатываемой поверхности. Рафинированный таким образом тонкий поверхностный слой листа представляет собой слой химически чистого (дистиллированного) металла, не содержащего углерод, серу, фосфор, азот (может быть оставлен) и другие примеси. В результате на поверхности листа образуется тонкая пленка ювенильного по химической чистоте металла, свободного от любых инородных включений. Преобразованный таким образом поверхностный слой обладает 100%-ной механической, физической и химической однородностью, что недостижимо при иных методах подготовки поверхностей, а также обладает высокой адгезией, что обеспечивает высокие механические свойства и однородность по всей поверхности последующего соединения.

Следствием указанной химической однородности слоя является отсутствие на его поверхности микрообластей с различным электрохимическим потенциалом, то есть преобразованная поверхность эквипотенциальна, что обеспечивает полное отсутствие зоны хрупких расплавов, значительно увеличивает температуру и инкубационный период распада зон переменного состава в процессе температурного воздействия.

В зависимости от режимов вакуумно-дугового воздействия, в том числе реализуемой температуры, в поверхностном слое металла в области катодного пятна происходят структурные изменения и формируются тонкие прослойки с ультрамелкозернистой структурой, как показали результаты рентгеноструктурного анализа. Возможны также процессы диффузионного характера с изменением химического состава базового металла в этих прослойках. Так в сталях перлитного класса отмечается возгонка углерода глубиной порядка 100-150 мкм.

Одновременно, данный процесс преобразования металлических поверхностей дает возможность наносить тонкие слои других, модифицирующих поверхность, металлов, вводимых в плазму с помощью дополнительных устройств.

Совместное использование вышеуказанного преобразования поверхностей пластин или листов с последующим соединением этих листов посредством сварки взрывом и дополнительной термообработкой без ограничения температурного режима позволяет придать взаимодействующим при соединении поверхностям принципиально новые свойства и, как следствие, повысить прочность получаемых биметаллических материалов.

Полученный сварной биметаллический материал обладает максимальной работоспособностью, а именно сохранением прочности соединения в течение всего срока службы, за счет создания оптимального сочетания остаточных напряжений после взрыва и механических свойств биметаллического соединения, то есть сужающие напряжения составляющих разнородных компонентов в таком материале стремятся к нулю.

Известно, что остаточные растягивающие напряжения после взрыва достигают 1000 МПа и распределяются по толщине не равномерно [6].

Например, на фиг.1 представлены остаточные напряжения в титаностальном соединении в состоянии после сварки взрывом. Для снятия остаточных напряжений после сварки взрывом применяется термообработка, в процессе которой происходит релаксация напряжений, то есть возвращение в ненагруженное, исходное состояние. При этом максимальная релаксация происходит в интервале температур 350-500°С (фиг.2, 3). Однако при нагреве до температуры 500°С наблюдают снижение предела текучести (фиг.4) за счет начала образования хрупкой интерметаллидной прослойки. Аналогичный характер зависимости прочности биметаллического сварного соединения от температуры термообработки характерен для всех титаностальных композиций.

Предлагаемая подготовка поверхностей соединяемых металлов перед сваркой взрывом обеспечивает формирование тонкой прослойки ультрамелкодисперсной структуры с размером зерна 100-150 нм, обеспечивающей стабильное соединение поверхностей и препятствующей преждевременному выпадению интерметаллидов при температуре до 600°С. При этом достигаются стабильные механические характеристики биметалла, стабильные свойства по сечению, позволяющие дальнейшую переделку полуфабриката, в том числе штамповку, прокатку, горячую правку, что существенно расширяет сферу применения биметалла.

Проведенная экспериментальная работа по сварке взрывом стального листа марки 09Г2С и титанового листа марки ВТ1-0 показала чрезвычайно высокие и стабильные результаты по напряжению на отрыв и на срез слоев стали и титана, что не достигается при обычных способах подготовки поверхности под сварку взрывом (фиг.5).

Из вышесказанного следует, что технический результат изобретения достигается новой совокупностью существенных признаков, как вновь введенных, так и известных, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Способ иллюстрируется чертежами, где:

на фиг.1 представлен график остаточных напряжений в титаностальном соединении в состоянии после сварки взрывом;

на фиг.2 представлен график остаточных напряжений в титаностальном соединении в состоянии после сварки взрывом и последующих нагревов до температуры 350°С;

на фиг.3 представлены графики зависимости прочности соединения (1) и толщины диффузионной прослойки (2) в соединении титанового сплава и стали от температуры нагрева;

на фиг.4 представлен график остаточных напряжений в титаностальном соединении в состоянии после сварки взрывом и последующих нагревов до температуры 500°С;

на фиг.5 представлен график зависимости прочности соединения (линии 1, 3) и толщины диффузионной прослойки (линии 2, 4) в соединении титанового сплава и стали от температуры нагрева, где линии 1 и 2, соответствуют штатной технологии изготовления материала, а линии 3 и 4 характеризуют свойства материала после вакуумно-дуговой (плазменной) обработки поверхностей.

Способ осуществляют следующим образом.

Соединяемые поверхности подвергают вакуумно-дуговой обработке.

Процесс нанесения плакирующего слоя металла (метаемая пластина) на металл основы (неподвижная пластина) проводят за счет энергии детонации взрывчатого вещества, размещаемого над поверхностью плакирующего металла. Непосредственным источником энергии, осуществляющей сварку взаимодействующих поверхностей пластин, является энергия их кинетического взаимодействия, направленного и распределенного на ограниченной площади. Пластины размещают параллельно друг другу на специальных проставках, которые удаляются в процессе соединения поверхностей потоком газа, находящемся в зазоре.

Совместные кинетические свойства плакирующего слоя и потока продуктов детонации, направленных от поверхности плакирующего металла, определяют необходимые характеристики удара. По этой причине величина зазора и толщины слоя взрывчатого вещества различны для различных толщин соединяемых пластин и различных видов металлов.

В результате подобранного специальным образом воздействия продуктов детонации, следующих непосредственно за фронтом волны детонации, происходит «моментальное» пластическое кинетическое смещение (осаждение) металла метаемой пластины на поверхность металла основы.

От точки соударения распространяются волны напряжения, скорость которых соответствует скорости распространения звука в данном виде металла. При этом волна детонации и соответственно точка соударения продвигаются вдоль поверхности основы с дозвуковой (относительно металла) скоростью. Оптимальными для надежной сварки являются скорости в пределах 2000-2400 м/с. Чередование зон упругой и пластической деформации основы приводит к образованию волнообразной поверхности сопряжения пластин.

В качестве основы берут массивную плиту, изготовленную методом горячей прокатки или ковки, которая имеет высокие механические свойства и низкую, по отношению к метаемой пластине, стоимость.

В качестве метаемой пластины берут материал, имеющий высокую коррозионную стойкость, например холоднокатаный материал, изначально имеющий удовлетворительные геометрические свойства поверхности и низкую шероховатость.

Основу устанавливают горизонтально на предварительно подготовленный пьедестал. В зависимости от места инициирования взрыва и геометрии основы, на ее поверхности устанавливают проставки, определяющие гарантированную величину зазора. По периметру метаемой пластины монтируют раму, например, из тонких деревянных планок для размещения в ней слоя взрывчатого вещества (ВВ) требуемой толщины. В точке подрыва устанавливают бустер (некоторое количество ВВ цилиндрической формы с высокой скоростью детонации) и взрыватель с электрическим приводом.

Оптимальной для достижения требуемого результата является скорость детонации, находящаяся в пределах 2000-2400 м/с. Угол соударения обычно находится в пределах 5-10°. Скорость соударения при этом составляет около 500 м/с, при этом в точке контакта основы и метаемой пластины развивается давление до 60 ГПа.

Способ поясняется следующим примером.

Берут два листовых полуфабриката: сталь марки 09Г2С толщиной 40 мм и титан марки ВТ1-0 толщиной 8 мм. Соединяемые поверхности подвергают вакуумно-дуговой обработке с энергией 10 ¹⁰-10¹¹ Вт/м² . При этом с каждой обрабатываемой поверхности не только убираются окисные пленки, на ней образуется тонкий слой глубиной 100-150 нм ультрамелкозернистой структуры химически дистиллированного металла. Шероховатость поверхностей составляет R _a 3,6 мкм.

Далее преобразованные таким образом листы размещают параллельно друг другу на расстоянии 8 мм с помощью специально подготовленных проставок, которые подлежат удалению при взрыве. Сварку взрывом производят при следующих условиях: скорость детонации - 2400 м/с, скорость соударения - 500 м/с, угол соударения - 5-7°.

Для снятия остаточных напряжений проводят термообработку при температуре 500°С. В результате достигается максимальное снятие напряжений по сечению с сохранением прочности сварного соединения на уровне исходного состояния (фиг.5). При этом в зоне соединения не обнаружено интерметаллидных включений, а толщина полученной диффузионной прослойки составляет меньше 1,0 мкм (фиг.5).

Из вышесказанного следует, что предлагаемый способ обеспечивает технический результат, не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации:

1. Плакирование стали взрывом. Под редакцией А.С.Гельмана. М.: Машиностроение, 1978, с.4-5.

2. Крупин А.В. и др. Деформация металлов взрывом. М.: Металлургия, 1975, с.153-155.

3. Авторское свидетельство SU 1269951, В23К 20/04, 1983.

4. Патент RU №2174458, В23К 20/08, 2001.

5. Патент RU №2180365, С23С 14/36, 2002.

6. Гураков В.М., Покатаев Е.П. Влияние нагревов на остаточные напряжения, прочностные и пластические свойства сваренного взрывом соединения титанового сплава типа ВТ6С со сталью 08Х18Н10Т.