[go: up one dir, main page]

RU2311274C1 - Bimetallic material producing method - Google Patents

Bimetallic material producing method

Info

Publication number
RU2311274C1
RU2311274C1 RU2006129222/02A RU2006129222A RU2311274C1 RU 2311274 C1 RU2311274 C1 RU 2311274C1 RU 2006129222/02 A RU2006129222/02 A RU 2006129222/02A RU 2006129222 A RU2006129222 A RU 2006129222A RU 2311274 C1 RU2311274 C1 RU 2311274C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plate
cathode
temperature
steel
explosion
Prior art date
Application number
RU2006129222/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Станиславович Вакин (RU)
Владимир Станиславович Вакин
Сергей Валентинович Бодакин (RU)
Сергей Валентинович Бодакин
Ирина Алексеевна Счастлива (RU)
Ирина Алексеевна Счастливая
Игорь Иванович Сидоров (RU)
Игорь Иванович Сидоров
Олег Николаевич Бессонов (RU)
Олег Николаевич Бессонов
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Энергометалл"
Владимир Станиславович Вакин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "Энергометалл", Владимир Станиславович Вакин filed Critical Закрытое акционерное общество "Энергометалл"
Priority to RU2006129222/02A priority Critical patent/RU2311274C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2311274C1 publication Critical patent/RU2311274C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

FIELD: manufacture of bimetallic blanks of different kind metals, mainly large-size steel-titanium blanks.
SUBSTANCE: method comprises steps of placing thrown plate with gap over fixed plate; initiating arranged over it charge of explosion matter. Surfaces of one or both plates are treated before joining them by means of cathode spots of vacuum arc excited between surfaces of plate used as cathode and anode. Prepared material is subjected to heat treatment at temperature 500 - 600°C.
EFFECT: stable level of strength along the whole area of joined surfaces due to preparing highly uniform surfaces before joining and creation of optimal combination of residual stresses after cohesion.
2 cl, 5 dwg

Description

Предложение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении биметаллических заготовок из разнородных металлов.The proposal relates to metallurgy and can be used in the manufacture of bimetallic billets from dissimilar metals.

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.Traditionally used metallic and non-metallic materials have largely reached the limit of structural strength. However, the development of modern technology requires the creation of materials that work reliably in a complex combination of force and temperature fields when exposed to aggressive media, radiation, deep vacuum and high pressures. Often the requirements for materials can be controversial. These requirements can be met through the use of composite materials.

Композиционным материалом называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам взаимно нерастворимых компонентов, строение которой позволяет использовать преимущества каждого из них.Composite material is called a bulk heterogeneous system, consisting of mutually insoluble components that differ greatly in properties, the structure of which allows one to take advantage of each of them.

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.The most effective way to obtain blanks and parts with such properties is to create them in the form of two- or multilayer compositions. In metallurgy and in mechanical engineering, both in domestic and in foreign practice, a number of methods for producing bimetallic materials and billets are used. The most important of them are electric arc and electroslag surfacing, casting and batch rolling, explosion welding.

Однако все они имеют существенные недостатки.However, they all have significant drawbacks.

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.The disadvantages of surfacing include high complexity; insufficiently smooth surfacing surface, requiring cleaning and grinding; the need to apply several layers to suppress the effect of dilution of the metal overlaying the base metal; the impossibility of surfacing in cases where brittle intermetallic layers occur between the surfacing metal and the base.

Этих недостатков лишены способы получения биметаллических материалов путем пакетной прокатки.These disadvantages are deprived of methods for producing bimetallic materials by batch rolling.

Известен способ получения заготовки из листовой двухслойной стали, плакированной хромистыми коррозийно-стойкими сталями [1].A known method of obtaining a workpiece from a sheet of two-layer steel clad with chromium corrosion-resistant steels [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.To do this, the surface of the pearlite steel billet is thoroughly cleaned of scale and covered with a thin layer of nickel, after which a clad sheet of high alloy steel is laid on it. The nickel layer prevents the intense diffusion of carbon from the base layer into a clad layer with a high chromium content. When heated, a thin film of oxides forms on the surface of high-chromium steel, however, it crumbles during rolling, exposing juvenile surfaces, between which a strong welded joint is formed as a result of significant plastic deformation at high temperature.

К недостаткам пакетной прокатки относится высокая трудоемкость подготовительных операций.The disadvantages of batch rolling include the high complexity of preparatory operations.

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.An important feature of explosion cladding is the possibility of joining together metals whose welding by other methods is difficult or practically impossible. This applies in particular to metals and alloys forming very hard and brittle intermetallic compounds, for example, steel with aluminum or titanium. Explosion welding allows you to get bimetallic materials of almost any composition.

Под термином «сварка взрывом» понимается явление соединения металлических пластин, произошедшее при их соударении вследствие метания продуктами детонации взрывчатого вещества.The term "explosion welding" refers to the phenomenon of the connection of metal plates that occurred during their collision as a result of throwing detonation products of explosives.

Однако для получения высококачественного соединения при сварке взрывом необходима предварительная очистка соединяемых поверхностей.However, to obtain a high-quality connection in explosion welding, preliminary cleaning of the surfaces to be connected is necessary.

Известен способ получения биметаллического материала путем сварки взрывом, включающий механическую зачистку свариваемых поверхностей до металлического блеска [2].A known method of producing bimetallic material by explosion welding, including mechanical cleaning of the surfaces to be welded to a metallic luster [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.The disadvantage of this method is that any mechanical processing of metal is accompanied by significant mechanical hardening of the surface layers. This leads, during their plastic flow in the physical contact zone under conditions of unequal all-round compression, to excessive heat generation with the formation of fused sections or intermetallic inclusions that adversely affect the strength of the joint. This is explained by the fact that significant plastic deformations in the wave-forming zone accompanying the explosion welding process in this case do not occur due to the accumulation and interaction of defects in the crystal structure, but due to the annihilation of the defects accumulated during machining with the release of their energy in the form heat.

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.It should be noted that there are no accessible and reliable methods for controlling the distribution of such hidden surface defects, which explains the significant heterogeneity in the distribution of the bond strength of the layers along the welding area.

Известен также способ получения многослойной ленты из пакета заранее подготовленных полос путем их очистки, сборки в пакет и совместной прокатки [3].There is also a method of producing a multilayer tape from a package of pre-prepared strips by cleaning them, assembling into a package and co-rolling [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.In the framework of this method, the cleaning of the original tapes is carried out by etching them in sulfuric acid, drying and processing of the connected surfaces with metal brushes. This technology is time-consuming, expensive, dangerous for personnel and the environment and does not provide high quality cleaning, guaranteeing the necessary strength of the connection of dissimilar metals.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является способ получения крупногабаритных биметаллических листов сталь-титан сваркой взрывом [4].The closest in technical essence and the achieved result to the claimed solution is a method for producing large-sized bimetallic steel-titanium sheets by explosion welding [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.The disadvantages of this method is that when connecting by explosion welding of titanium alloys with steels of various classes, it is impossible to obtain high-quality material due to the formation of brittle melts at the joint boundary due to the instability of the welding process itself and the heterogeneity of the surface properties of the materials being joined. Fragile melts of variable composition are formed in the zone of maximum hardening with reduced ductility, in the zone of action of high residual tensile stresses. This significantly reduces the stability of the mechanical characteristics of the joint and determines the grain-boundary nature of fracture along the joint zone.

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.From the above analysis of the prior art it is seen that the development of a simple and economical method for producing high-quality bimetallic material with a strong connection of dissimilar surfaces is an urgent task, the difficulty of solving which increases when receiving large-sized blanks, that is, with an increase in the area of connected surfaces.

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.Moreover, all existing mechanical and electrochemical methods of surface preparation before joining dissimilar materials do not give a positive result. With carefully selected parameters of the explosion welding process, the number of brittle inclusions in the resulting diffusion layer can be reduced to 8%. The thickness of this layer, as a rule, is 10-40 microns.

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.It should be noted that with further thermal exposure, the initial strength, starting from temperatures of the order of 450 ° C, decreases due to the growth of brittle diffusion layers. As a result, for titanium alloys with steels during explosion welding due to optimally selected modes, the formation of durable welded joints is possible, however, such billets cannot be subjected to thermal action above 450 ° C without reducing the strength characteristics of the joint.

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.The technical result of the proposed solution is to achieve a stable level of strength over the entire area of the connected surfaces, mainly large workpieces, by increasing the uniformity of the surfaces when preparing them before joining and creating the optimal combination of residual stresses after joining.

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.To achieve the specified technical result in a method for producing a steel-titanium bimetallic material, mainly for large-sized billets, comprising connecting at least two pre-processed plates, in which a throwable plate is mounted over a fixed plate with a gap and an explosive charge located above it is initiated, according to the proposal, the surface treatment of one of the plates before joining is carried out by cathode spots of a vacuum arc excited between ited plate used as a cathode and anode, and then heat-treated compound obtained material at a temperature of 500-600 ° C. Also, according to the proposal, the cathode spots of the vacuum arc process the surface of another plate.

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».The presence of distinctive features, namely pre-treatment of the surface of one and / or another plate before connecting the cathode spots of a vacuum arc excited between the surface of the plate and the anode, as well as the subsequent heat treatment of the material obtained by explosion welding at a temperature of 500-600 ° C, indicates the conformity of the claimed technical solutions to the patentability criterion of “novelty”.

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].From the patent literature there is known a method of manufacturing a multilayer metal strip, including surface treatment of the source sheets in vacuum, assembly into a bag and rolling, and the surface treatment of the main and clad sheets is carried out using cathode spots of a vacuum-arc discharge excited between the tape and a graphite anode [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/м2, 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.The cathode spots of the electric arc move along the surfaces of the sheets under the influence of an external electric field at a speed of the order of hundreds of meters per second. An energy density of about 10 11 W / m 2 is released in the cathode spot, and the temperature reaches 5 × 10 3 10 × 10 3 K, and all oxides, adsorbed films, and foreign non-metallic inclusions (e.g., scale) dissociate, ionize, or go into a gaseous state. Moreover, positively charged metal ions under the influence of a cathodic voltage drop are accelerated and carry out the cathodic bombardment of the treated surface. Thus refined, the thin surface layer of the sheet is a layer of chemically pure (distilled) metal that does not contain carbon, sulfur, phosphorus, nitrogen (can be left behind) and other impurities. As a result, a thin film of a metal juvenile in chemical purity, free of any foreign inclusions, forms on the surface of the sheet. The surface layer thus transformed possesses 100% mechanical, physical, and chemical homogeneity, which is unattainable with other methods of surface preparation, and also has high adhesion, which ensures high mechanical properties and uniformity over the entire surface of the subsequent compound.

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.The consequence of the indicated chemical homogeneity of the layer is the absence on its surface of microregions with different electrochemical potentials, that is, the transformed surface is equipotential, which ensures the complete absence of the zone of brittle melts, significantly increases the temperature and the incubation period of the decomposition of zones of variable composition during temperature exposure.

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.Depending on the regimes of the vacuum-arc action, including the realized temperature, structural changes occur in the surface layer of the metal in the region of the cathode spot and thin interlayers with an ultrafine-grained structure are formed, as shown by the results of X-ray diffraction analysis. Diffusion processes are also possible with a change in the chemical composition of the base metal in these layers. So in steels of pearlite class sublimation of carbon with a depth of about 100-150 microns is noted.

Одновременно, данный процесс преобразования металлических поверхностей дает возможность наносить тонкие слои других, модифицирующих поверхность, металлов, вводимых в плазму с помощью дополнительных устройств.At the same time, this process of converting metal surfaces makes it possible to deposit thin layers of other surface-modifying metals introduced into the plasma using additional devices.

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.The joint use of the above transformation of the surfaces of the plates or sheets with the subsequent connection of these sheets by explosion welding and additional heat treatment without limiting the temperature regime allows us to give the surfaces interacting during the connection fundamentally new properties and, as a result, increase the strength of the obtained bimetallic materials.

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.The resulting welded bimetallic material has maximum performance, namely, maintaining the bond strength throughout the entire service life by creating the optimal combination of residual stresses after the explosion and the mechanical properties of the bimetallic compound, i.e., the narrowing stresses of the heterogeneous components in such material tend to zero.

Известно, что остаточные растягивающие напряжения после взрыва достигают 1000 МПа и распределяются по толщине не равномерно [6].It is known that residual tensile stresses after an explosion reach 1000 MPa and are not uniformly distributed over the thickness [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.For example, figure 1 shows the residual stresses in the titanium-steel joint in the state after explosion welding. To remove residual stresses after explosion welding, heat treatment is used, during which stress relaxation occurs, that is, a return to an unloaded, initial state. In this case, maximum relaxation occurs in the temperature range 350-500 ° C (Fig.2, 3). However, when heated to a temperature of 500 ° C, a decrease in the yield strength (Fig. 4) is observed due to the onset of the formation of a brittle intermetallic layer. A similar character of the dependence of the strength of the bimetallic welded joint on the heat treatment temperature is characteristic of all titanium-steel compositions.

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.The proposed preparation of the surfaces of joined metals before explosion welding provides the formation of a thin layer of ultrafine structure with a grain size of 100-150 nm, which provides a stable connection of surfaces and prevents premature precipitation of intermetallic compounds at temperatures up to 600 ° C. At the same time, stable mechanical characteristics of the bimetal, stable cross-sectional properties are achieved, which allow further alteration of the semi-finished product, including stamping, rolling, hot dressing, which significantly expands the scope of the bimetal.

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).The experimental work on explosion welding of steel sheet grade 09G2S and titanium sheet grade VT1-0 showed extremely high and stable results in the tensile stress and shear of the layers of steel and titanium, which is not achieved with conventional methods of preparing the surface for explosion welding (Fig. 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».From the foregoing, it follows that the technical result of the invention is achieved by a new set of essential features, both newly introduced and known, therefore, the claimed method meets the patentability criterion of "inventive step".

Способ иллюстрируется чертежами, где:The method is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 представлен график остаточных напряжений в титаностальном соединении в состоянии после сварки взрывом;figure 1 presents a graph of the residual stresses in the titanium-steel joint in the state after explosion welding;

на фиг.2 представлен график остаточных напряжений в титаностальном соединении в состоянии после сварки взрывом и последующих нагревов до температуры 350°С;figure 2 presents a graph of the residual stresses in the titanium-steel joint in the state after explosion welding and subsequent heating to a temperature of 350 ° C;

на фиг.3 представлены графики зависимости прочности соединения (1) и толщины диффузионной прослойки (2) в соединении титанового сплава и стали от температуры нагрева;figure 3 presents graphs of the dependence of the strength of the compound (1) and the thickness of the diffusion layer (2) in the connection of a titanium alloy and steel on the heating temperature;

на фиг.4 представлен график остаточных напряжений в титаностальном соединении в состоянии после сварки взрывом и последующих нагревов до температуры 500°С;figure 4 presents a graph of the residual stresses in the titanium-steel joint in the state after explosion welding and subsequent heating to a temperature of 500 ° C;

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.figure 5 presents a graph of the dependence of the strength of the connection (lines 1, 3) and the thickness of the diffusion layer (lines 2, 4) in the connection of the titanium alloy and steel on the heating temperature, where lines 1 and 2 correspond to the standard manufacturing technology of the material, and line 3 and 4 characterize the properties of the material after a vacuum-arc (plasma) surface treatment.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Соединяемые поверхности подвергают вакуумно-дуговой обработке.The surfaces to be joined are subjected to vacuum arc treatment.

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.The process of applying a cladding metal layer (throwing plate) on the base metal (fixed plate) is carried out due to the detonation energy of the explosive placed above the surface of the clad metal. The direct source of energy for welding the interacting surfaces of the plates is the energy of their kinetic interaction, directed and distributed over a limited area. The plates are placed parallel to each other on special spacers, which are removed in the process of connecting the surfaces with a gas stream in the gap.

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.The combined kinetic properties of the clad layer and the flow of detonation products directed from the surface of the clad metal determine the required characteristics of the impact. For this reason, the size of the gap and the thickness of the explosive layer are different for different thicknesses of the connected plates and various types of metals.

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.As a result of a specially selected effect of detonation products immediately following the front of the detonation wave, an “instant” plastic kinetic displacement (deposition) of the metal of the propelled plate on the surface of the base metal occurs.

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.Stress waves propagate from the collision point, the speed of which corresponds to the speed of sound propagation in this type of metal. In this case, the detonation wave and, accordingly, the collision point advance along the surface of the base with a subsonic (relative to the metal) speed. Optimal for reliable welding are speeds in the range of 2000-2400 m / s. The alternation of zones of elastic and plastic deformation of the base leads to the formation of a wavy surface of the interface of the plates.

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.The basis is taken of a massive plate made by hot rolling or forging, which has high mechanical properties and low cost in relation to the plate being thrown.

В качестве метаемой пластины берут материал, имеющий высокую коррозионную стойкость, например холоднокатаный материал, изначально имеющий удовлетворительные геометрические свойства поверхности и низкую шероховатость.A material having a high corrosion resistance, for example a cold-rolled material, initially having satisfactory geometric surface properties and low roughness, is taken as a throwing plate.

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.The base is mounted horizontally on a previously prepared pedestal. Depending on the place of initiation of the explosion and the geometry of the base, spacers are installed on its surface to determine the guaranteed amount of clearance. A frame is mounted around the perimeter of the throwing plate, for example, of thin wooden planks to accommodate a layer of explosive (BB) of the required thickness in it. A booster (a certain number of cylindrical explosives with a high detonation speed) and an electric fuse are installed at the detonation point.

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.Optimal for achieving the desired result is the detonation velocity, which is in the range of 2000-2400 m / s. The angle of impact is usually in the range of 5-10 °. The collision velocity in this case is about 500 m / s, while at the contact point of the base and the missile plate, a pressure of up to 60 GPa develops.

Способ поясняется следующим примером.The method is illustrated by the following example.

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 1010-1011 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 Ra≤3,6 мкм.They take two semi-finished sheets: steel grade 09G2S 40 mm thick and titanium grade VT1-0 8 mm thick. The connected surfaces are subjected to vacuum-arc treatment with an energy of 10 10 -10 11 W / m 2 . Moreover, not only oxide films are removed from each surface to be treated, a thin layer is formed on it with a depth of 100-150 nm of an ultrafine-grained structure of a chemically distilled metal. The surface roughness is R a ≤3.6 μm.

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°.Further, the sheets thus transformed are placed parallel to each other at a distance of 8 mm using specially prepared spacers that must be removed in the event of an explosion. Explosion welding is performed under the following conditions: detonation speed - 2400 m / s, collision speed - 500 m / s, collision angle - 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).To remove residual stresses, heat treatment is carried out at a temperature of 500 ° C. The result is the maximum stress relief over the cross section while maintaining the strength of the welded joint at the level of the initial state (figure 5). In this case, no intermetallic inclusions were found in the connection zone, and the thickness of the obtained diffusion layer was less than 1.0 μm (Fig. 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».It follows from the foregoing that the proposed method provides a technical result, does not cause difficulties, involves the use of developed materials and standard equipment, which indicates the compliance of the claimed technical solution with the patentability criterion of "industrial applicability".

Источники информации:Information sources:

1. Плакирование стали взрывом. Под редакцией А.С.Гельмана. М.: Машиностроение, 1978, с.4-5.1. Cladding became an explosion. Edited by A.S. Gelman. M .: Mechanical Engineering, 1978, p. 4-5.

2. Крупин А.В. и др. Деформация металлов взрывом. М.: Металлургия, 1975, с.153-155.2. Krupin A.V. et al. Deformation of metals by explosion. M .: Metallurgy, 1975, p. 153-155.

3. Авторское свидетельство SU 1269951, В23К 20/04, 1983.3. Copyright certificate SU 1269951, V23K 20/04, 1983.

4. Патент RU №2174458, В23К 20/08, 2001.4. Patent RU No. 2174458, V23K 20/08, 2001.

5. Патент RU №2180365, С23С 14/36, 2002.5. Patent RU No. 2180365, C23C 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.6. Gurakov V.M., Pokataev E.P. The effect of heating on the residual stresses, strength and plastic properties of an explosion-welded joint of a VT6S titanium alloy with 08Kh18N10T steel.

Claims (2)

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.1. A method of producing a steel-titanium bimetallic material mainly for large-sized billets, comprising connecting at least two pre-processed plates, in which a throwable plate is mounted above the fixed plate with a gap and initiating an explosive charge located above it, characterized in that the processing the surface of one of the plates before connection is carried out by cathode spots of a vacuum arc excited between the surface of the plate used as a cathode, and house, and after the compound obtained heat-treated material at a temperature of 500-600 ° C. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что катодными пятнами вакуумной дуги обрабатывают поверхность другой пластины.2. The method according to claim 1, characterized in that the cathode spots of the vacuum arc process the surface of another plate.
RU2006129222/02A 2006-08-08 2006-08-08 Bimetallic material producing method RU2311274C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006129222/02A RU2311274C1 (en) 2006-08-08 2006-08-08 Bimetallic material producing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006129222/02A RU2311274C1 (en) 2006-08-08 2006-08-08 Bimetallic material producing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2311274C1 true RU2311274C1 (en) 2007-11-27

Family

ID=38960190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006129222/02A RU2311274C1 (en) 2006-08-08 2006-08-08 Bimetallic material producing method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2311274C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2463141C1 (en) * 2011-04-13 2012-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) Method of producing titanium-steel composite material
RU2516179C1 (en) * 2012-12-17 2014-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Combined explosive welding method
RU2560472C2 (en) * 2013-08-08 2015-08-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Making of sandwiched material

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2463141C1 (en) * 2011-04-13 2012-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) Method of producing titanium-steel composite material
RU2516179C1 (en) * 2012-12-17 2014-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Combined explosive welding method
RU2560472C2 (en) * 2013-08-08 2015-08-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Making of sandwiched material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. Microstructural evolutions and mechanical characteristics of Ti/steel clad plates fabricated through cold spray additive manufacturing followed by hot-rolling and annealing
Zhou et al. Effect of microstructure on mechanical properties of titanium-steel explosive welding interface
AU2011201061B2 (en) Clad alloy substrates and method for making same
US2786265A (en) Process of producing composite metal products
US5579988A (en) Clad reactive metal plate product and process for producing the same
RU2311274C1 (en) Bimetallic material producing method
Stolbchenko et al. Manufacturing and Characterization of Twin‐Roll Cast Aluminum‐Steel Clad Strips
JP6515358B2 (en) Titanium composite material and titanium material for hot rolling
RU178157U1 (en) MULTI-LAYER BILL FOR HOT ROLLING
TW201718119A (en) Titanium composite material, and titanium material for hot rolling
Hao et al. In-situ investigation of crack initiation and propagation in roll-bonded five-ply ASS/Al/Mg/Al/ASS laminated composites during tensile test
TWI627285B (en) Titanium composite and titanium for hot rolling
US2619715A (en) Bonding together of metals
CN116809680A (en) Preparation method of titanium-aluminum composite sheet material
JPH1099976A (en) Manufacture of ti-coated clad plate
JP2006233311A (en) Method for producing spray-coated steel sheet having excellent corrosion resistance and equipment line for steel sheet
JP3245477B2 (en) Thick plate clad material
RU2799193C1 (en) Method for additive laser deposition of a wear-resistant non-magnetic coating on the protective elements of the housing of rotary controlled systems
Poppmeier, WAH & Vreugdenburg The manufacture of stainless clad steels
CN117862659A (en) Explosion compounding method of tantalum-titanium-steel secondary explosion composite board
JPS60244491A (en) Production of copper or copper alloy clad steel plate
Mahmoud et al. Free Intermetallic Cladding Interface between Aluminum and Steel through Friction Stir Processing. Crystals 2022, 12, 1413
Mróz et al. Effect of the Rolling Process on the Properties of the Mg/Al Bimetallic Bars Obtained by the Explosive Welding Method. Materials 2023, 16, 6971. h ps
JPS5887223A (en) Production of metal coated steel plate
JPH06198458A (en) Method for joining different metals

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170809

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20190220

PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200809