DE202008018079U1 - Apparatus for producing a bimetallic steel-titanium material for large workpieces - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Herstellen eines Bimetall-Materials Stahl-Titan für Großwerkstücke mit der Verbindung von zwei vorbehandelten Platten, wobei eine Schleuderplatte in einem Abstand über einer unbeweglichen Platte angeordnet ist und eine über der Schleuderplatte angeordnete Zündladung zündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer der Platten vor der Verbindung mit Kathodenflecken eines Vakuumbogens behandelt ist, wobei der Vakuumbogen zwischen der als Kathode verwendeten Platte und der Anode erregbar ist, und dass das nach der Verbindung hergestellte Material mit einer Temperatur von 500–600°C nachbehandelt ist.Device for producing a bimetallic material steel-titanium for large workpieces with the connection of two pretreated plates, a centrifugal plate being arranged at a distance above an immovable plate and an ignition charge arranged above the centrifugal plate being ignitable, characterized in that the surface of one of the Before the connection, plates are treated with cathode spots of a vacuum arc, the vacuum arc between the plate used as the cathode and the anode being excitable, and that the material produced after the connection is post-treated at a temperature of 500-600 ° C.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bimetall-Materials Stahl-Titan mit der Verbindung von zwei vorbehandelten Platten, wobei eine Schleuderplatte in einem Abstand über einer unbeweglichen Platte angeordnete ist und eine über der Schleuderplatte angeordnete Zündladung zündbar ist.The invention relates to a device for producing a bimetallic steel-titanium material with the connection of two pretreated plates, wherein a centrifugal plate is arranged at a distance above a stationary plate and a priming charge arranged above the centrifugal plate is ignitable.

Traditionell verwendbare metallische und nichtmetallische Materialien haben im bedeutenden Maße die Grenze der konstruktiven Festigkeit erreicht. Gleichzeitig fordert die Entwicklung der modernen Technik, Materialien, die sicher in komplizierter Kombination der Kraft- und Temperaturfelder, unter der Einwirkung von aggressiven Medien, Strahlungen, des Tiefvakuums und des Hochdrucks funktionieren. Oft können die Anforderungen an die Materialien auch widersprüchlich sein. Die Anwendung von Verbundstoffen kann diesen Anforderungen genügen. Als Verbundstoff wird ein heterogenes Volumensystem genannt. Dieses heterogene Volumensystem besteht aus wechselseitig nicht löslichen Komponenten, die unterschiedliche Eigenschaften haben. Die Struktur des Systems ermöglicht es, die Vorteile jeder Komponente auszunutzen. Das höchsteffektive Verfahren zur Herstellung der Werkstücke und Teile mit solchen Eigenschaften ist deren Herstellung in Form von zwei- oder mehrschichtigen Kompositionen. Sowohl in der Metallurgie und im Maschinenbau als auch in einheimischer und ausländischer Praxis ist eine Reihe von Vorrichtungen zur Herstellung der Bimetall-Materialien und Werkstücke verwendet. Die wichtigsten Vorrichtungen verwenden Lichtbogen- und Elektroschlackeauftragschweißen, Eingießen und Paketwalzen und Explosionsschweißen.Traditional metallic and non-metallic materials have, to a significant degree, reached the limit of structural strength. At the same time, the development of modern technology requires materials that work safely in a complex combination of force and temperature fields, under the influence of aggressive media, radiation, deep vacuum and high pressure. Often the requirements for the materials can also be contradictory. The use of composites can meet these requirements. The composite is called a heterogeneous volume system. This heterogeneous volume system consists of mutually non-soluble components that have different properties. The structure of the system makes it possible to exploit the advantages of each component. The most effective method for producing the workpieces and parts having such properties is their production in the form of two- or multi-layered compositions. Both in metallurgy and mechanical engineering as well as in domestic and foreign practice, a number of devices are used to make the bimetallic materials and workpieces. The most important devices use arc and electroslag coating welding, potting and package rolling and explosion welding.

Allerdings weisen alle diese Vorrichtungen wesentliche Mängel auf.However, all these devices have significant shortcomings.

Zu den Nachteilen des Aufschweißens gehören:

  • – hoher Arbeitsaufwand;
  • – eine nicht genügend plane Oberfläche des Aufschweißens, welche nachträglich entgratet und geschliffen werden muss;
  • – die Notwendigkeit, mehrere Schichten aufzutragen, um den Effekt der Verdünnung des Aufschweißmetalls durch das Hauptmetall zu unterdrücken;
  • – die Unmöglichkeit des Aufschweißens in solchen Fällen, wenn zwischen dem Aufschweiß- und Basismetall zerbrechliche intermetallische Zwischenschichten gebildet sind.
The disadvantages of welding are:
  • - high workload;
  • - An insufficiently flat surface of the welding, which must be subsequently deburred and ground;
  • The need to apply several layers to suppress the effect of thinning of the weld metal by the main metal;
  • - The impossibility of welding in such cases, when between the weldable and base metal fragile intermetallic interlayers are formed.

Eine Vorrichtung zur Herstellung von Bimetall-Materialien anhand des Paketwalzens weisen diese Mängel nicht auf.An apparatus for producing bimetallic materials by package rolling does not have these defects.

Bekannt ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Werkstücks aus zweischichtigem Stahlblech. Es ist mit korrosionsbeständigen Chromstählen plattiert [1]. Dafür ist die Oberfläche des Werkstücks aus Perlitstahl gründlich gereinigt und der Zunder entfernt. Dann ist die Oberfläche des Werkstücks mit einer dünnen Nickelschicht versehen und darauf ist eine Plattierungsplatte aus hochlegiertem Stahl gelegt. Die Nickelzwischenschicht verhindert eine intensive Diffusion von Kohlenstoff aus der Grundschicht in die Plattierungsschicht mit einem hohen Gehalt an Chrom. Beim Erhitzen ist auf der Oberfläche des hochchromierten Stahls ein dünner Oxidfilm gebildet. Dieser Film zersplittert jedoch beim Walzen und die juvenilen Oberflächen sind entblößt. Zwischen diesen juvenilen Oberflächen ist infolge der bedeutenden plastischen Verformung unter hoher Temperatur eine feste Schweißverbindung gebildet.A device for producing a workpiece from two-layer steel sheet is known. It is clad with corrosion-resistant chromium steels [1]. For this, the surface of the piece of pearlite steel is thoroughly cleaned and the scale removed. Then, the surface of the workpiece is provided with a thin nickel layer and a high-alloy steel plating plate is placed thereon. The intermediate nickel layer prevents intense diffusion of carbon from the base layer into the high chromium plating layer. Upon heating, a thin oxide film is formed on the surface of the chromium-plated steel. However, this film splinters during rolling and the juvenile surfaces are bared. Between these juvenile surfaces, a strong welded joint is formed due to the significant plastic deformation under high temperature.

Zu den Mängeln des Paketwalzens gehört ein hoher Arbeitsaufwand während der Vorbereitungsmaßnahmen.The shortcomings of packet rolling involve a high workload during the preparatory measures.

Eine wesentliche Besonderheit der Explosionsplattierung besteht darin, dass diese Vorrichtung es ermöglicht, solche Metalle zu verbinden, die bei anderen Verfahren in der Praxis nur schwer oder gar nicht verschweißbar sind. Das betrifft insbesondere die Metalle und Legierungen, die sehr harte und zerbrechliche Intermetalle, beispielsweise Stähle mit Aluminium oder Titan, bilden. Das Sprengschweißen ermöglicht Bimetall-Materialien fast jeglicher Zusammensetzung herzustellen. Unter Begriff „Sprengschweißen” wird die Verbindung von metallischen Platten verstanden. Diese Verbindung erfolgt beim Aufprall infolge der Schleuderung der Detonationsprodukte des Sprengstoffs. Aber für eine hochwertige Verbindung durch Sprengschweißen sind die zu verbindenden Oberflächen vorher zu reinigen.A significant feature of the explosion plating is that this device makes it possible to connect such metals that are difficult or impossible to weld in other methods in practice. This particularly concerns the metals and alloys which form very hard and fragile intermetallics, for example steels with aluminum or titanium. Explosive welding makes it possible to produce bimetallic materials of almost any composition. The term "explosive welding" is understood to mean the connection of metallic plates. This connection occurs on impact due to slinging of detonation products of the explosive. But for a high-quality connection by means of explosive welding, the surfaces to be joined must first be cleaned.

Bekannt ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bimetall-Materials durch Sprengschweißen, welches ein mechanisches Nachschneiden der Schweißoberflächen bis Metallglanz vorsieht [2].A device is known for the production of a bimetallic material by explosive welding, which provides a mechanical re-cutting of the welding surfaces to metallic luster [2].

Der Mangel dieser Vorrichtung besteht darin, dass jegliche mechanische Bearbeitung mit einer bedeutenden mechanischen Kalthärtung der Oberflächenschichten zusammenhängt. Bei der plastischen Strömung dieser Oberflächenschichten im Bereich des physikalischen Kontakts unter Bedingungen der nichtgleichachsigen allseitigen Zusammenpressung verursacht eine überflüssige Wärmeentwicklung. Dabei sind abgeschmolzene Bereiche oder intermetallische Einschlüsse gebildet. Das wirkt sich negativ die Festigkeit der Verbindung aus. Das lässt sich folgenderweise erklären. Der Vorgang des Sprengschweißens ist durch eine Wellenbildung begleitet. Die bedeutenden plastischen Verformungen im Bereich der Wellenbildung verlaufen in diesem Fall nicht infolge der Speicherung und Wechselwirkung der Fehler der Kristallstruktur. Diese bedeutenden plastischen Verformungen im Bereich der Wellenbildung sind durch die Annihilation der bei der mechanischen Bearbeitung gespeicherten Fehler mit der Energieabgabe in Form der Wärme bedingt. Es sei betont, dass es keine zugänglichen und zuverlässigen Vorrichtung für die Kontrolle der Verteilung der latenten Oberflächendefekte dieser Art gibt. Dadurch erklärt sich eine bedeutende Inhomogenität der Stärke der Verbindung der Schichten bei der Verteilung über die gesamte Schweißfläche.The deficiency of this device is that any mechanical working is associated with a significant mechanical cold hardening of the surface layers. The plastic flow of these surface layers in the area of the physical contact under conditions of non-equiaxed all-round compression causes a superfluous evolution of heat. In this case, melted areas or intermetallic inclusions are formed. This negatively affects the strength of the connection. This can be explained in the following way. The process of blast welding is accompanied by wave formation. The significant plastic deformations in the area of wave formation do not occur in this case the storage and interaction of the defects of the crystal structure. These significant plastic deformations in the area of wave formation are due to the annihilation of the errors stored during mechanical processing with the energy release in the form of heat. It should be emphasized that there is no accessible and reliable device for controlling the distribution of latent surface defects of this kind. This explains a significant inhomogeneity in the strength of the bond of the layers in the distribution over the entire welding surface.

Bekannt ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines mehrschichtigen Bands. Die vorher vorbereiteten Streifen sind gereinigt, zu einem Paket zusammengestellt und zusammen gewalzt [3]. Im Rahmen dieser Vorrichtung sind die Stammbänder durch Ätzen in Schwefelsäure, durch Trocknen und Behandlung mit Metallbürsten der zu verbindenden Oberflächen gereinigt. Diese Technologie ist arbeitsintensiv, teuer und gefährlich für Personal und Umwelt. Die Technologie stellt auch keine hohe Reinigungsqualität sicher. Und ausgerechnet Reinigungsqualität die sorgt für die notwendige Festigkeit der Verbindung verschiedenartiger Metalle.Also known is an apparatus for producing a multilayer tape. The previously prepared strips are cleaned, put together in a package and rolled together [3]. In the context of this device, the master tapes are cleaned by etching in sulfuric acid, by drying and treatment with metal brushes of the surfaces to be joined. This technology is labor intensive, expensive and dangerous to personnel and the environment. The technology also does not ensure a high quality of cleaning. And just cleaning quality which ensures the necessary strength of the connection of various metals.

Der nächste Stand der Technik gegenüber der angemeldeten Erfindung ihrem technischen Inhalt und dem erreichbaren Ergebnis nach ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Groß-Bimetall-Bleche aus Stahl-Titan mittels Sprengstoffschweißung [4].The closest prior art to the claimed invention in terms of its technical content and achievable result is an apparatus for producing large-bimetallic steel-titanium sheets by means of explosive welding [4].

Die Mängel dieser Vorrichtung bestehen im Folgenden: Die Verbindung von Titanlegierungen mit Stählen unterschiedlicher Klassen mittels Sprengschweißens ermöglicht es nicht, ein hochwertiges Material zu erzeugen. Das liegt daran, dass sich an der Grenze der Verbindung brüchige Schmelzen infolge der Instabilität des Schweißvorganges und Inhomogenität der Eigenschaften der Oberflächen der zu verbindenden Materialien bilden. Die brüchigen Schmelzen weisen veränderliche Zusammensetzungen auf und sind im Bereich der maximalen Verhärtung und Minderplastizität, im Wirkungsbereich der hohen Restdehnspannungen gebildet. Das mindert wesentlich die Stabilität der mechanischen Eigenschaften der Verbindung und verursacht den Kerngrenzencharakter der Zerstörung im Bereich der Verbindung. Aus der angeführten Analyse des Stands der Technik ist es ersichtlich, dass die Entwicklung einer einfachen und günstigen Vorrichtung zur Herstellung eines Bimetall-Materials hoher Qualität mit einer festen Verbindung der verschiedenartigen Oberflächen eine aktuelle Aufgabe ist. Die Schwierigkeit bei der Lösung dieser Aufgabe steigt, wenn es um die Herstellung von großen Werkstücken geht. D. h. mit der Erhöhung der zu verbindenden Flächen wird die Lösung der Aufgabe erschwert. Dabei bringen die bekannten mechanischen und elektrochemischen Vorrichtungen zur Behandlung der Oberflächen vor der Verbindung der verschiedenartigen Materialien kein positives Ergebnis. Wenn die Prozessdaten für den Sprengschweißvorgang richtig gewählt sind, kann der Anteil der brüchigen Einschlüsse in der hergestellten Diffusionszwischenschicht bis zu 8% gemindert werden. Die Stärke dieser Schicht beträgt in der Regel 10 bis 40 μm.The shortcomings of this device are as follows: The combination of titanium alloys with steels of different classes by means of explosive welding does not make it possible to produce a high quality material. This is because, at the boundary of the bond, fragile melts are formed due to the instability of the welding process and inhomogeneity of the properties of the surfaces of the materials to be joined. The brittle melts have variable compositions and are in the range of maximum hardening and minor plasticity, formed in the range of high residual tensile stresses. This significantly reduces the stability of the mechanical properties of the compound and causes the core boundary character of the destruction in the region of the compound. From the cited prior art analysis, it can be seen that the development of a simple and inexpensive apparatus for producing a high quality bimetallic material with a solid connection of the various surfaces is a current task. The difficulty in solving this problem increases when it comes to the production of large workpieces. Ie. Increasing the areas to be connected makes it difficult to solve the problem. At the same time, the known mechanical and electrochemical devices for treating the surfaces before bonding the various materials do not give a positive result. If the process data for the blast welding process are selected correctly, the proportion of brittle inclusions in the produced intermediate diffusion layer can be reduced by up to 8%. The thickness of this layer is usually 10 to 40 microns.

Es sei betont, dass die Ausgangsfestigkeit sich bei einer weiteren Temperaturbehandlung ab Temperatur von 450°C durch das Wachstum der brüchigen Diffusionszwischenschichten reduziert. Daraus folgt, dass die festen Schweißverbindungen beim Sprengschweißen der Legierungen aus Titan und Stähle durch die optimal gewählten Prozessmodi zu bilden sind. Aber solche Werkstücke können nicht bei den Temperaturen über 450°C behandelt werden, ohne die Festigkeitseigenschaften der Verbindung zu mindern.It should be emphasized that the initial strength is reduced in a further temperature treatment from a temperature of 450 ° C by the growth of the brittle diffusion intermediate layers. It follows that the solid welded joints in explosive welding of titanium and steel alloys are to be formed by the optimally selected process modes. But such workpieces can not be treated at temperatures above 450 ° C without degrading the strength properties of the joint.

Aus den Patentschriften ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines mehrschichtigen Metallbandes bekannt. Diese Vorrichtung umfasst die Bearbeitung der Oberfläche der Ausgangsbleche in Vakuum, ihre Zusammenstellung zu einem Paket und ein nachfolgendes Walzen. Dabei erfolgt die Behandlung der Oberflächen der Grund- und des Plattierungsbleches mittels der Katodenflecken einer Vakuumbogen-Ladung. Die Ladung ist zwischen dem Band und der Graphitanode zündbar [5]. Die Katodenflecken des Elektrolichtbogens bewegen sich über die Oberflächen der Bleche unter Wirkung des elektrischen Außenfelds mit einer Geschwindigkeit von Hunderten von Metern pro Sekunde. Im Katodenfleck ist eine Energie mit einer Dichte von 1011 W/m2 freigesetzt. Die Temperatur erreicht dabei den Wert von 5 × 103 bis 10 × 103

Figure 00060001
Dabei erfolgt die Dissoziation von der Oberfläche des Blechs, die Ionisation und die Umwandlung zum Gaszustand aller Oxide, adsorbierten Folien und fremden nichtmetallischen Einschlüsse (beispielsweise Zunder). Dabei beschleunigen sich die positiv geladenen Metallionen unter Wirkung des Spannungsverlusts und führen den Katodenabschuss der zu behandelnden Oberflächen durch. Auf diese Weise ist die dünne Oberflächenschicht des Bleches gereinigt. Nun stellt sie ein chemisch gereinigtes (distilliertes) Metall ohne Gehalt an Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor, Stickstoff (kann erhalten bleiben) und andere Beimischungen dar. Als Ergebnis ist auf der Oberfläche des Bleches eine dünne Schicht des juvenilen Metalls gebildet, das keine fremden Einschlüsse enthält. Die auf solche Weise behandelte Oberflächenschicht weist 100%-ige mechanische, physische und chemische Homogenität auf, was mit den anderen Vorrichtungen zur Vorbereitung der Oberflächen nicht erreichbar ist. Die Oberflächenschicht verfügt auch über eine hohe Adhäsion. Dies stellt gute mechanische Eigenschaften und eine Homogenität über die gesamte Oberfläche der künftigen Verbindung sicher [5].From the patents a device for producing a multilayer metal strip is known. This device comprises the processing of the surface of the starting sheets in vacuum, their assembly into a package and a subsequent rolling. In this case, the treatment of the surfaces of the base and the Plattierungsbleches means of the cathode spots of a vacuum arc charge. The charge is ignitable between the ribbon and the graphite anode [5]. The cathode spots of the electric arc move over the surfaces of the sheets under the action of the external electric field at a speed of hundreds of meters per second. In the cathode spot an energy with a density of 10 11 W / m 2 is released. The temperature reaches the value of 5 × 10 3 to 10 × 10 3
Figure 00060001
The dissociation from the surface of the sheet, the ionization and the conversion to the gas state of all oxides, adsorbed films and foreign non-metallic inclusions (for example, scale). In this case, the positively charged metal ions accelerate under the effect of the voltage loss and perform the cathodic launch of the surfaces to be treated. In this way, the thin surface layer of the sheet is cleaned. Now it provides a chemically purified (distilled) metal containing no carbon, sulfur, phosphorus, nitrogen (can be retained) and other admixtures. As a result, a thin layer of the juvenile metal is formed on the surface of the sheet which does not contain foreign inclusions contains. The thus-treated surface layer has 100% mechanical, physical and chemical homogeneity, which is not achievable with the other surface preparation devices. The surface layer also has a high adhesion. This provides good mechanical properties and a homogeneity over the entire surface of the future compound certainly [5].

Wegen der genannten chemischen Homogenität der Schicht sind auf ihrer Oberfläche keine Mikrobereiche mit dem unterschiedlichen elektrochemischen Potential vorhanden. Das bedeutet, dass die behandelte Oberfläche äquipotential ist. Aus diesem Grund ist der Bereich der brüchigen Schmelzen überhaupt nicht mehr vorhanden. Das erhöht die Temperatur und Inkubationszeit des Zerfalls der Zonen mit variabler Zusammensetzung während der Temperatureinwirkung. Je nach der Betriebsart der Vakuumbogen-Einwirkung, darunter auch der erreichbaren Temperatur, kommen in der Oberflächenschicht des Metalls und zwar im Bereich des Kathodenflecks die Strukturänderungen zustande. Es werden dabei dünne Zwischenschichten mit Ultrafeinkornstruktur gebildet. Davon zeugen die Ergebnisse der Röntgenstrukturanalyse. Es sind auch Diffusionsabläufe mit der Änderung der chemischen Zusammensetzung des Grundmetalls in diesen Zwischenschichten möglich. In den Stählen der Perlitklasse ist der Kohlenstoff in einer Tiefe von 100–150 μm sublimiert.Because of the said chemical homogeneity of the layer, there are no micro regions with the different electrochemical potential on their surface. This means that the treated surface is equipotential. For this reason, the area of brittle melting is no longer present. This increases the temperature and incubation time of the decay of the variable composition zones during the exposure to temperature. Depending on the mode of operation of the vacuum arc exposure, including the achievable temperature, the structural changes occur in the surface layer of the metal, specifically in the region of the cathode spot. In this case, thin intermediate layers with ultrafine grain structure are formed. This is evidenced by the results of the X-ray structure analysis. It is also possible diffusion processes with the change of the chemical composition of the base metal in these intermediate layers. In the steels of the pearlite class, the carbon is sublimated at a depth of 100-150 μm.

Außerdem ermöglicht diese Vorrichtung der Behandlung der Metalloberflächen dünne Schichten anderer Metalle aufzutragen. Diese Metalle modifizieren die Oberfläche. Diese Metalle sind mittels zusätzliches Einrichtungen in das Plasma eingeführt. Die Verwendung dieser Vorrichtung der Behandlung der Oberflächen der Platten oder Blechen mit der nachfolgenden Verbindung dieser Bleche mittels des Sprengschweißens und einer zusätzlichen Wärmebehandlung ohne Begrenzung der Temperatur ermöglicht es, den wechselwirkenden Oberflächen prinzipiell neue Eigenschaften zu verleihen. Folglich ist die Festigkeit der hergestellten Bimetall-Materialien erhöht. Das mit Hilfe des Sprengschweißens hergestellte Bimetall-Material verfügt über maximale Arbeitsfähigkeit. Und zwar weist es die Erhaltung der Festigkeit der Verbindung während der gesamten Lebensdauer auf. Dies ist durch eine optimale Kombination der Restspannungen nach der Explosion und der mechanischen Eigenschaften der Bimetall-Verbindung sichergestellt. Das heißt, die konvergierenden Spannungen der Bestandteile der verschiedenartigen Komponenten in diesem Material nähern sich der Null an. Es ist bekannt, dass die restlichen Dehnspannungen nach der Explosion 1000 MPa erreichen und sich ungleichmäßig in der Stärke verteilen [6].In addition, this device allows the treatment of the metal surfaces to apply thin layers of other metals. These metals modify the surface. These metals are introduced into the plasma by means of additional equipment. The use of this device to treat the surfaces of the plates or sheets with the subsequent connection of these sheets by means of explosive welding and an additional heat treatment without limiting the temperature makes it possible to give the interacting surfaces in principle new properties. Consequently, the strength of the produced bimetallic materials is increased. The bimetallic material produced by means of explosive welding has maximum working capacity. Namely, it has the preservation of the strength of the compound throughout its life. This is ensured by an optimal combination of the residual stresses after the explosion and the mechanical properties of the bimetallic connection. That is, the converging voltages of the components of the various components in this material approach zero. It is known that the residual strain stresses after the explosion reach 1000 MPa and are distributed unevenly in the thickness [6].

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der eine starke Festigkeit über die gesamte Oberfläche der Verbindung, insbesondere bei Großwerkstücken, erreicht ist und die Homogenität der Oberflächen bei der Behandlung vor der Bindung und durch eine optimale Kombinierung der Restspannung nach der Bindung erhöht ist.It is an object of the invention to provide a device of the type mentioned, in which a strong strength over the entire surface of the compound, especially in large workpieces, is achieved and the homogeneity of the surfaces in the treatment before bonding and by an optimal combination of Residual stress after binding is increased.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Oberfläche einer der Platten vor der Verbindung mit Katodenflecken des Vakuumbogens behandelt wird; der Vakuumbogen wird zwischen der Oberfläche der Platte, die als Katode verwendet wird, und der Anode erregt; und nach der Verbindung wird das hergestellte Material unter Temperatur von 500–600°C behandelt.This object is achieved according to the invention in that the surface of one of the plates is treated prior to bonding with cathode spots of the vacuum arc; the vacuum arc is excited between the surface of the plate used as the cathode and the anode; and after the compound, the produced material is treated at a temperature of 500-600 ° C.

Außerdem ist gemäß dem Vorschlag die Oberfläche der anderen Platte mit Katodenflecken behandelt. Die Unterscheidungsmerkmale sind vor allem:

  • – die Vorbehandlung (vor der Verbindung) der Oberfläche einer und/oder anderen Platte mittels Katodenflecken des Vakuumbogens, der zwischen der Oberfläche der Platte und der Anode erregbar ist,
  • – die nachfolgende Wärmebehandlung des durch Sprengschweißen hergestellten Materials unter Temperatur von 500°–600°C.
In addition, according to the proposal, the surface of the other plate is treated with cathode spots. The distinguishing features are above all:
  • The pretreatment (before bonding) of the surface of one and / or other plate by means of cathode spots of the vacuum arc excitable between the surface of the plate and the anode,
  • - The subsequent heat treatment of the material produced by explosive welding at a temperature of 500 ° -600 ° C.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:

1 die Kennlinie der restlichen Spannungen in einer Titan-Stahl-Verbindung im Zustand nach dem Sprengschweißen, 1 the characteristic curve of the residual stresses in a titanium-steel connection in the state after explosive welding,

2 die Kennlinie der restlichen Spannungen einer Titan-Stahl-Verbindung im Zustand nach dem Sprengschweißen und einer nachfolgenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350°C, 2 the characteristic of the residual stresses of a titanium-steel compound in the state after blast welding and a subsequent heat treatment at a temperature of 350 ° C,

3 die Kennlinien der Abhängigkeit der Festigkeit der Verbindung (1) und der Dicke der Diffusionszwischenschicht (2) in der Verbindung aus Titanlegierung und Stahl von der Temperatur der Erhitzung abgebildet; 3 the characteristics of the dependence of the strength of the compound ( 1 ) and the thickness of the intermediate diffusion layer ( 2 ) in the alloy of titanium alloy and steel of the temperature of heating;

4 die Kennlinie der restlichen Spannungen in der Titan-Stahl-Verbindung im Zustand nach dem Sprengschweißen und einer nachfolgenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 500°C und 4 the characteristic of the residual stresses in the titanium-steel compound in the state after the explosive welding and a subsequent heat treatment at a temperature of 500 ° C and

5 die Kennlinien der Abhängigkeit der Verbindung (Linien 1, 3) und der Dicke der Diffusionszwischenschicht (Linie 2, 4) in einer Verbindung aus Titanlegierung und Stahl von der Temperatur der Erhitzung, wobei die Linien 1 und 2 entsprechen der traditionellen Technologie der Herstellung des Materials entsprechen, und die Linien 3 und 4 die Eigenschaften des Materials nach der Vakuumbogen-(Plasma-)behandlung der Oberflächen charakterisieren. 5 the characteristic curves of the dependence of the connection (lines 1 . 3 ) and the thickness of the intermediate diffusion layer (line 2 . 4 ) in a compound of titanium alloy and steel from the temperature of heating, the lines 1 and 2 conform to the traditional technology of producing the material, and the lines 3 and 4 characterize the properties of the material after vacuum arc (plasma) treatment of the surfaces.

Die Vorrichtung ist folgendermaßen ausgebildet:
Die zu verbindenden Oberflächen werden mit Hilde eines Vakuumbogens behandelt. Die Auftragung der Plattierungsschicht des Metalls (Schleuderplatte) auf das Grundmetall (unbewegliche Platte) erfolgt mittels der Detonationsenergie eines Sprengstoffes. Die Grundplatte ist über der Oberfläche des Plattierungsmetalls angeordnet. Die Schweißung der zusammenwirkenden Plattenoberflächen erfolgt mittels Energieeinwirkung. Die unmittelbare Energiequelle ist die Energie der kinetischen Wechselwirkung der Plattenoberflächen. Die Wechselwirkung ist auf eine begrenzte Fläche gerichtet und darüber verteilt. Die Platten werden parallel zu einander auf speziellen Abstandshaltern angeordnet. Die Abstandshalter werden während des Vorgangs der Verbindung der Oberflächen mit Hilfe des Gasstromes entfernt, welcher sich im Abstand befindet. Die gemeinsamen kinetischen Eigenschaften der Plattierungsschicht und des Stroms der Detonationsprodukte, die von der Oberfläche des Plattierungsmetalls ausgehen, bestimmen die notwendigen Eigenschaften des Stoßes. Deswegen werden der Abstand und die Dicke der Schicht des Sprengstoffs je nach den unterschiedlichen Stärken der Platten und den unterschiedlichen Metallarten verschieden gewählt.The device is designed as follows:
The surfaces to be joined are treated with Hilde a vacuum arc. The application of the plating layer of the metal (spin plate) on the base metal (immovable plate) by means of the detonation energy of an explosive. The base plate is disposed over the surface of the plating metal. The welding of the cooperating plate surfaces takes place by means of energy. The immediate source of energy is the energy of the kinetic interaction of the plate surfaces. The interaction is directed to a limited area and distributed over it. The plates are placed parallel to each other on special spacers. The spacers are removed during the process of joining the surfaces by means of the gas flow, which is at a distance. The common kinetic properties of the plating layer and the current of the detonation products emanating from the surface of the plating metal determine the necessary properties of the impact. Therefore, the spacing and thickness of the layer of explosive are chosen differently depending on the different thicknesses of the plates and the different types of metals.

Unmittelbar nach der Explosionswelle entstehen Detonationsprodukte. Infolge der speziell ausgewählten Einwirkung der Detonationsprodukte erfolgt eine „momentane” plastische kinetische Verschiebung (Scheidung) des Metalls der Schleuderplatte auf die Oberfläche des Grundmetalls. Der Stoßpunkt ist die Mitte der sich davon verbreitenden Spannungswellen. Die Geschwindigkeit der Spannungswellen entspricht der Geschwindigkeit der Schallausbreitung im jeweiligen Metall. Dabei bewegen sich die Detonationswelle und dementsprechend der Anstoßpunkt entlang der Oberfläche des Grundmetalls mit einer Ultraschallgeschwindigkeit (bezüglich des Metalls). Die optimalen Geschwindigkeiten für ein sicheres Schweißen liegen im Bereich von 2000–2400 m/s. Der Wechsel der Bereiche der elastischen und plastischen Verformung der Grundplatte verursacht die Bildung einer wellenartigen Oberfläche der Verbindung von Platten. Als Grundplatte ist eine schwere Platte verwendet. Sie kann warm gewalzt oder geschmieden sein. Sie soll hohe mechanische Eigenschaften und niedrigeren Preis im Vergleich zur Schleuderplatte aufweisen. Für die Schleuderplatte ist ein Material verwendet, welches eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist. Das kann beispielsweise kalt gewalztes Material sein, das über befriedigende geometrische Eigenschaften der Oberfläche verfügt und eine niedrige Rauhigkeit aufweist. Die Grundplatte ist waagerecht auf einem vorher vorbereiteten Podest aufgestellt. Je nach der der Stelle der Explosionszündung und der Geometrie der Grundplatte sind auf deren Oberflächen die Abstandhalter gestellt. Die Abstandhalter sorgen für einen sicheren Abstand. Rund um die Schleuderplatte ist beispielsweise aus dünnen Holzleisten ein Rahmen gebaut, um darin die Schicht des Sprengstoffs der benötigten Stärke unterzubringen. Am Punkt der Zündung sind ein Booster (Sprengstoff in einer zylindrischen Stange mit einer hohen Detonationsgeschwindigkeit) und ein Elektrozünder angeordnet. Um das benötigte Ergebnis erreichen zu können, liegt die optimale Detonationsgeschwindigkeit im bereich von 2000–2400 m/s. Der Aufprallwinkel liegt im Bereich von 5–10°. Die Aufprallgeschwindigkeit beträgt dabei ca. 500 m/s. Dabei wird an der Stelle des Kontakts der Grund- und Schleuderplatte ein Druck bis zu 60 HPa erreicht.Immediately after the explosion, detonation products are generated. Due to the specially selected action of the detonation products, there is a "momentary" plastic kinetic shift (divorce) of the metal of the spin plate onto the surface of the parent metal. The impact point is the center of the propagating stress waves. The speed of the voltage waves corresponds to the speed of sound propagation in the respective metal. At this time, the detonation wave and, accordingly, the abutment point along the surface of the base metal move at an ultrasonic velocity (with respect to the metal). The optimum speeds for safe welding are in the range of 2000-2400 m / s. The change in the areas of elastic and plastic deformation of the base plate causes the formation of a wave-like surface of the connection of plates. The base plate used is a heavy plate. It can be hot rolled or forged. It should have high mechanical properties and lower price compared to the spin plate. For the spin plate, a material is used which has a high corrosion resistance. This can be, for example, cold rolled material which has satisfactory surface geometric properties and low roughness. The base plate is placed horizontally on a previously prepared pedestal. Depending on the location of the explosion ignition and the geometry of the base plate are placed on the surfaces of the spacers. The spacers ensure a safe distance. For example, around the sling plate, a frame is made of thin wooden slats to accommodate the layer of explosive of the required strength. At the point of ignition, a booster (explosive in a cylindrical rod with a high detonation speed) and an electric igniter are arranged. In order to achieve the required result, the optimum detonation speed is in the range of 2000-2400 m / s. The impact angle is in the range of 5-10 °. The impact speed is approx. 500 m / s. In this case, a pressure of up to 60 HPa is achieved at the point of contact of the base and centrifugal plate.

Die Vorrichtung ist durch folgendes Beispiel erläutert:
Es sind zwei Halberzeugnisse aus Blech genommen: Stahl, Typ 09G2S, mit einer Stärke von 40 mm, und Titan, Typ WT 1-0, mit einer Stärke von 8 mm.The device is illustrated by the following example:
There are two semi-finished products made of sheet steel: steel, type 09G2S, with a thickness of 40 mm, and titanium, type WT 1-0, with a thickness of 8 mm.

Die zu verbindenden Oberflächen sind mit Hilfe eines Vakuumbogens mit einer Leistung von 1010–1011 W/m2 behandelt. Dabei ist von jeder behandelten Oberfläche nicht nur die Oxidschichten entfernt. Auf der Oberfläche ist eine dünne Schicht ultrafeinkörniger Struktur des chemisch gereinigten Metalls mit einer Tiefe von 100–150 nm gebildet. Die Rauheit der Oberflächen beträgt Ra ≤ 3,6 μm.The surfaces to be joined are treated by means of a vacuum arc with a capacity of 10 10 -10 11 W / m 2 . Not only the oxide layers are removed from each treated surface. On the surface, a thin layer of ultrafine-grained structure of the chemically-cleaned metal having a depth of 100-150 nm is formed. The roughness of the surfaces is R a ≤ 3.6 microns.

Dann sind die auf solche Weise behandelten Bleche parallel zu einander in einem Abstand von 8 mm mit Hilfe der speziell vorbereiteten Abstandshalter angeordnet. Die Abstandshalter sind bei der Explosion zu entfernen.Then the sheets treated in such a way are arranged parallel to each other at a distance of 8 mm with the aid of the specially prepared spacers. The spacers should be removed during the explosion.

Das Sprengschweißen ist unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Detonationsgeschwindigkeit –2400 m/s, Aufprallgeschwindigkeit –500 m/s, Aufprallwinkel –5–7°.Explosive welding is performed under the following conditions: detonation speed -2400 m / s, impact velocity -500 m / s, impact angle -5-7 °.

Zum Abbau der Restspannungen ist das Material bei einer Temperatur von 500°C behandelt. Die Spannungen sind so im Querschnitt maximal abgebaut. Dabei ist die Festigkeit der Schweißverbindung im Ausgangszustand beibehalten (5). Im Bereich der Verbindung sind keine intermetallischen Einschlüsse mehr aufzufinden und die Stärke der Diffusionszwischenschicht beträgt weniger als 1,0 μm (5).To reduce the residual stresses, the material is treated at a temperature of 500 ° C. The stresses are thus maximally reduced in cross section. The strength of the welded joint in the initial state is maintained ( 5 ). In the area of the compound, intermetallic inclusions are no longer found and the thickness of the intermediate diffusion layer is less than 1.0 μm (FIG. 5 ).

Daraus folgt, dass mit der vorgeschlagenen Vorrichtung das technische Ergebnis sichergestellt ist, keine Schwierigkeiten auftreten und die Verwendung der bekannten Materialien und Standardmaschinen zu verwenden sind.It follows that with the proposed device, the technical result is ensured, no difficulties occur and the use of the known materials and standard machines are to be used.

Zum Beispiel sind in 1 die restlichen Spannungen Ϭres/MPa in Abhängigkeit von der Stärke s (mm) im Zustand nach dem Sprengschweißen dargestellt.For example, in 1 the remaining stresses Ϭres / MPa as a function of the strength s (mm) in the state after the explosion welding shown.

Um die Restspannungen zu lösen, ist das Material mit Wärme behandelt. Dabei entspannt sich das Material. Das Material kehrt in den unbelasteten Ausgangszustand zurück. Dabei erfolgt der Spannungsabbau im Temperaturbereich von 350°–500°C (2, 3). Aber bei der Erhitzung bis zu einer Temperatur von 500°C erfolgt die Reduzierung der Fließgrenze (4) durch die Bildung der brüchigen intermetallischen Zwischenschicht. Die gleiche Abhängigkeit der Festigkeit der Bimetall-Schweißverbindung von der Temperatur bei der Wärmebehandlung ist für alle Titan-Stahl-Zusammensetzungen kennzeichnend.To dissipate the residual stresses, the material is treated with heat. This relaxes the material. The material returns to the unloaded initial state. The stress reduction in the temperature range of 350 ° -500 ° C ( 2 . 3 ). But when heated up to a temperature of 500 ° C, the yield point is reduced ( 4 ) by the formation of the brittle intermetallic interlayer. The same dependence of the strength of the bimetal weld on the temperature of the heat treatment is characteristic of all titanium-steel compositions.

Die vorgeschlagene Vorbereitung der Oberfläche der zu verbindenden Metallen vor dem Sprengschweißen sorgt für die Bildung einer dünnen Zwischenschicht ultrafeinkörniger Struktur mit einer Korngröße von 100–150 nm. Das stellt eine stabile Verbindung der Oberfläche sicher. Die Zwischenschicht verhindert den vorzeitigen Ausfall der Intermetalle unter einer Temperatur bis zu 600°C. Dabei sind die stabilen mechanischen Eigenschaften des Bimetalls und die stabilen Eigenschaften im Querschnitt erreicht. Das ermöglicht die weitere Verarbeitung des Halberzeugnisses, darunter Stanzen, Walzen, Warmausrichten, was den Anwendungsbereich des Bimetalls wesentlich erweitert.The proposed preparation of the surface of the metals to be joined prior to blast welding provides for the formation of a thin intermediate layer of ultrafine-grained structure with a grain size of 100-150 nm. This ensures a stable bonding of the surface. The intermediate layer prevents premature failure of the intermetallic metals at a temperature of up to 600 ° C. The stable mechanical properties of the bimetal and the stable properties in cross section are achieved. This allows the further processing of the semi-finished product, including stamping, rolling, hot alignment, which significantly extends the scope of the bimetal.

Es ist ein Experiment für Sprengschweißen eines Stahlbleches des Typs 09G2S und eines Titanblechs des Typs WT1-0 ausgeführt. Es zeugt von außerordentlich hohen und stabilen Ergebnissen für Abriss- und Scherspannungen der Schichten von Stahl und Titan, wie es mit traditionellen Vorrichtungen zur Vorbereitung der Oberflächen für Sprengschweißen (5) nicht erreichbar ist. Daraus folgt, dass das technische Ergebnis der Erfindung durch eine neue Gesamtheit der wesentlichen sowohl der neuen als auch der bekannten Merkmale erreicht ist.An experiment is carried out for explosive welding of a steel sheet of the type 09G2S and a titanium sheet of the type WT1-0. It provides exceptionally high and stable results for the tearing and shearing stresses of the layers of steel and titanium, as with traditional devices for preparing the surfaces for explosive welding ( 5 ) is not available. It follows that the technical result of the invention is achieved by a new set of essentials of both the new and the known features.

InformationsquellenREFERENCES

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  • [5.] Patent RU 2180365 , C23C 14/36, 2002.[5.] Patent RU 2180365 , C23C 14/36, 2002.
  • [6.] Gurakow W. M., Pokatajew E. P. Einfluß der Erhitzung auf die Restspannungen, auf Festigkeits- und Plastizitäteigenschaften der sprenggeschweißten Verbindung der Titanlegierung des Typs WT6S und Stahl 08H18N10T [6.] Gurakov WM, Pokatajew EP Influence of heating on the residual stresses, on strength and plasticity properties of the explosion-welded joint of the WT6S type titanium alloy and steel 08H18N10T

Claims (2)

Vorrichtung zum Herstellen eines Bimetall-Materials Stahl-Titan für Großwerkstücke mit der Verbindung von zwei vorbehandelten Platten, wobei eine Schleuderplatte in einem Abstand über einer unbeweglichen Platte angeordnet ist und eine über der Schleuderplatte angeordnete Zündladung zündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer der Platten vor der Verbindung mit Kathodenflecken eines Vakuumbogens behandelt ist, wobei der Vakuumbogen zwischen der als Kathode verwendeten Platte und der Anode erregbar ist, und dass das nach der Verbindung hergestellte Material mit einer Temperatur von 500–600°C nachbehandelt ist.Device for producing a bimetallic steel-titanium material for large workpieces with the connection of two pretreated plates, wherein a centrifugal plate is arranged at a distance above a stationary plate and an ignition charge arranged above the centrifugal plate is ignitable, characterized in that the surface of one of the Is treated before the connection with cathode spots of a vacuum arc, wherein the vacuum arc is excitable between the plate used as a cathode and the anode, and that the material prepared after the connection is aftertreated at a temperature of 500-600 ° C. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der anderen Platte mit Kathodenflecken behandelt ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the surface of the other plate is treated with cathode spots.
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