RU2649929C1

RU2649929C1 - Method of heat-resistant intermetallide coating producing on the surface of the low-carbon steel plate

Info

Publication number: RU2649929C1
Application number: RU2017111433A
Authority: RU
Inventors: Леонид Моисеевич Гуревич; Виктор Георгиевич Шморгун; Сергей Петрович Писарев; Дмитрий Владимирович Проничев; Вячеслав Федорович Казак; Вера Николаевна Арисова; Виталий Павлович Кулевич
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-04-05

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention can be used to produce heat-resistant coatings in the manufacturing of parts of power and chemical plants. Composing a package with a symmetrical arrangement of low-carbon steel with a thickness of at least 3 mm between two aluminum plates with a thickness of 1.5–2 mm. Identical explosive charges are placed on package both sides and performing a simultaneous explosion welding. Performing heat treatment of the welded three-layer workpiece to form the continuous intermetallic diffusion layers between aluminum layers and a low-carbon steel layer with subsequent cooling down in the air, leading to the spontaneous separation of aluminum layers from the steel layer along intermetallic diffusion layers with the formation of continuous coatings from intermetallides of the aluminum-iron system.

EFFECT: heat resistant coatings with high service properties are produced simultaneously from both sides of the low-carbon steel plate in one explosion welding operation.

1 cl, 2 dwg, 1 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ и может быть использовано при изготовлении деталей энергетических и химических установок, обладающих повышенной жаростойкостью.The invention relates to a technology for producing coatings on metals using the energy of explosives and can be used in the manufacture of parts of power and chemical plants with high heat resistance.

Известен способ, обеспечивающий одновременное получение за время одного технологического цикла износостойких покрытий на титановой и стальной пластинах. При реализации этого способа осуществляют сварку взрывом пластин титана и стали, а затем проводят высокотемпературную диффузионную термическую обработку сваренной заготовки для формирования на границах раздела металлов интерметаллидного слоя заданной толщины. Сварку взрывом пластины из титана со стальной пластиной осуществляют на режимах, обеспечивающих амплитуду волн в зоне соединения металлов, равную 0,18-0,37 мм, при этом процесс ведут при скорости соударения свариваемых пластин, равной 440-650 м/с и регламентированной скорости детонации взрывчатого вещества, затем сваренную заготовку нагревают до температуры 900-950°С и выдерживают при этой температуре в вакуумной печи 10-14 ч до образования в зоне соединения титана и стали высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной 0,16-0,3 мм, после этого заготовку охлаждают вместе с печью, а затем нагревают до температуры 930-950°С, выдерживают при этой температуре 3-8 мин, а затем охлаждают в воде для отделения титана от стали по диффузионной прослойке с формированием, при этом на титане и стали высокотвердых износостойких покрытий с регулярной волнообразной поверхностью. Полученные по этому способу покрытия обладают высокой износостойкостью (Патент РФ №2350442, МПК B23K 20/08, опубл. 27.03.2009, бюл. №9).A known method that provides simultaneous receipt during one technological cycle of wear-resistant coatings on titanium and steel plates. When implementing this method, explosion welding of titanium and steel plates is carried out, and then high-temperature diffusion heat treatment of the welded billet is carried out to form an intermetallic layer of a given thickness at the metal interfaces. Explosion welding of a titanium plate with a steel plate is carried out in modes that ensure the wave amplitude in the metal connection zone equal to 0.18-0.37 mm, while the process is carried out at a collision speed of the welded plates equal to 440-650 m / s and a regulated speed detonation of the explosive, then the welded billet is heated to a temperature of 900-950 ° C and kept at this temperature in a vacuum oven for 10-14 hours until a highly solid intermetallic diffusion layer 0.16-0.3 mm thick is formed in the zone of the titanium-steel joint, To this end, the preform is cooled together with the furnace, and then heated to a temperature of 930–950 ° C, maintained at this temperature for 3–8 min, and then cooled in water to separate titanium from steel along a diffusion layer with formation, while on titanium and steel highly hard wear-resistant coatings with a regular undulating surface. The coatings obtained by this method have high wear resistance (RF Patent No. 2350442, IPC B23K 20/08, publ. 03/27/2009, bull. No. 9).

Достоинством этого способа является возможность одновременного получения покрытий на двух металлических поверхностях, а к его недостаткам следует отнести малую жаростойкость получаемых по этому способу покрытий: допускаемая рабочая температура изделий с такими покрытиями в окислительных газовых средах не превышает 600°С, что ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок.The advantage of this method is the ability to simultaneously obtain coatings on two metal surfaces, and its disadvantages include the low heat resistance of the coatings obtained by this method: the permissible operating temperature of products with such coatings in oxidizing gas environments does not exceed 600 ° C, which limits the possibility of using this method in the manufacture of heat-resistant parts of power and chemical plants.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения покрытия, при котором сваривают взрывом пакет из никелевой пластины толщиной 1-1,2 мм и стальной пластины, осуществляют горячую прокатку сваренного двухслойного пакета при температуре 900-950°С с обжатием до толщины никелевого слоя, составляющей 0,3-0,5 его исходной толщины. Сваривают взрывом эту биметаллическую заготовку и алюминиевую пластину при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2000-2700 м/с. Высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочный зазор между метаемой алюминиевой пластиной и никелевым слоем неподвижной биметаллической заготовки выбирают из условия получения скорости их соударения в пределах 420-500 м/с. Термообработку сваренной трехслойной заготовки для образования сплошной интерметаллидной диффузионной прослойки между алюминием и никелем проводят при температуре 600-630°С в течение 1,5-7 ч с охлаждением на воздухе, приводящим к самопроизвольному разделению алюминия и никеля по интерметаллидной диффузионной прослойке. На поверхности стальной пластины получают жаростойкое покрытие из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 0,045-0,065 мм (45-65 мкм) с малой амплитудой шероховатостей поверхности, имеющее пониженную склонность к образованию трещин при теплосменах, с рабочей температурой в окислительных газовых средах до 1000°С (Патент РФ №2486999, МПК B23K 20/08, C23C 26/00, опубл. 10.07.13, бюл. №19 - прототип).The closest in technical level and the achieved result is a method for producing a coating in which a package of nickel plate 1-1.2 mm thick and a steel plate is welded by explosion, the welded two-layer package is hot rolled at a temperature of 900-950 ° C with compression to a nickel thickness layer component of 0.3-0.5 of its original thickness. Explosive weld this bimetallic billet and aluminum plate at a detonation velocity of the explosive charge of 2000-2700 m / s. The height of the explosive charge, as well as the welding gap between the throwable aluminum plate and the nickel layer of the fixed bimetallic billet, is selected from the condition of obtaining their collision speed in the range of 420-500 m / s. Heat treatment of a welded three-layer billet to form a continuous intermetallic diffusion layer between aluminum and nickel is carried out at a temperature of 600-630 ° C for 1.5-7 hours with cooling in air, which leads to spontaneous separation of aluminum and nickel along the intermetallic diffusion layer. On the surface of the steel plate, a heat-resistant coating is made of intermetallic compounds of the aluminum-nickel system with a thickness of 0.045-0.065 mm (45-65 μm) with a small amplitude of surface roughness, which has a reduced tendency to crack during heat exchange, with a working temperature in oxidizing gas environments of up to 1000 ° C (RF patent No. 2486999, IPC B23K 20/08, C23C 26/00, publ. 10.07.13, bull. No. 19 - prototype).

Недостатком этого способа является возможность получения за один технологический цикл жаростойкого покрытия из интерметаллидов системы алюминий-никель лишь с одной стороны стальной пластины, использование в его технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, необходимость осуществления сварки взрывом металлических слоев в два этапа, что значительно увеличивает затраты на получение покрытия и ограничивает применение данного способа при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок.The disadvantage of this method is the possibility of obtaining a heat-resistant coating of aluminum-nickel intermetallic compounds on only one side of a steel plate in one technological cycle, the use of scarce and expensive nickel in its technological scheme, the need to weld metal layers in two stages, which significantly increases the cost of obtaining coatings and limits the application of this method in the manufacture of heat-resistant parts of power and chemical plants.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения одновременно с двух сторон пластины из низкоуглеродистой стали интерметаллидных покрытий с высокой жаростойкостью, с малой амплитудой шероховатостей на поверхности каждого покрытия, с пониженной склонностью к образованию трещин при теплосменах, без использования при этом в технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, с сокращением количества операций сварки взрывом до одной, по новой технологической схеме формирования фазового состава интерметаллидных покрытий, их структуры и служебных свойств.In this regard, the most important task is to create a new method for simultaneously producing on both sides of a low carbon steel plate intermetallic coatings with high heat resistance, with a small amplitude of roughness on the surface of each coating, with a reduced tendency to crack during heat exchange, without using it in the technological scheme scarce and expensive nickel, with a reduction in the number of explosion welding operations to one, according to a new technological scheme for the formation of inter phase composition tallidnyh coatings, their structure and working properties.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью сварки взрывом пакета из металлических пластин и последующих термических воздействий на сваренную заготовку одновременное получение с двух сторон пластины из низкоуглеродистой стали, интерметаллидных покрытий с высокой жаростойкостью, с малой амплитудой шероховатостей на поверхности каждого покрытия, с пониженной склонностью к образованию трещин при теплосменах, без использования при этом в технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, с сокращением количества операций сварки взрывом до одной, по новой технологической схеме формирования фазового состава интерметаллидных покрытий, их структуры и служебных свойств.The technical result of the claimed method is the creation of a new technology that ensures, by explosion welding, a package of metal plates and subsequent thermal effects on the welded billet, simultaneous production of low-carbon steel plates, intermetallic coatings with high heat resistance, with a small amplitude of roughness on the surface of each coating, from both sides with a reduced tendency to crack during heat exchange, without using scarce expensive nickel to reducing the number of operations of explosion welding to one, the new process scheme of forming intermetallic phase composition of the coatings, their structure and working properties.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения жаростойкого интерметаллидного покрытия на поверхности пластины из низкоуглеродистой стали, включающем составление пакета из металлических пластин, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, термическую обработку сваренной заготовки для формирования на границе раздела металлов сплошной интерметаллидной диффузионной прослойки заданной толщины с последующим разделением полученной заготовки по диффузионной прослойке, составляют трехслойный пакет под сварку взрывом с симметричным размещением между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 1,5-2 мм пластины из низкоуглеродистой стали толщиной не менее 3 мм, располагают с двух сторон пакета на поверхностях алюминиевых пластин одинаковые заряды взрывчатого вещества и осуществляют его сварку взрывом с одновременным инициированием в зарядах взрывчатого вещества процесса детонации, при этом скорость детонации в каждом заряде взрывчатого вещества равна 2000-2700 м/с, высоту зарядов взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают из условия получения скорости соударения алюминиевых пластин с пластиной из низкоуглеродистой стали в пределах 370-490 м/с, термическую обработку сваренной трехслойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевыми слоями и слоем из низкоуглеродистой стали проводят при температуре 660-665°С в течение 0,7-1 ч, охлаждают с печью до температуры 640-650°С, выдерживают при этой температуре 2-3 ч с последующим охлаждением на воздухе, приводящим к самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стального слоя по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом на поверхности слоя из низкоуглеродистой стали сплошных жаростойких покрытий.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed method for producing a heat-resistant intermetallic coating on the surface of a low-carbon steel plate, comprising compiling a package of metal plates, placing an explosive charge above it, performing explosion welding, heat treating the welded billet to form a continuous metal interface intermetallic diffusion layer of a given thickness, followed by separation of the obtained workpiece by diffusion puff, make up a three-layer package for explosion welding with symmetrical placement between two aluminum plates with a thickness of 1.5-2 mm, plates of low carbon steel with a thickness of at least 3 mm, place the same explosive charges on the surfaces of the aluminum plates on both sides of the package and carry out explosion welding with the simultaneous initiation in the explosive charges of the detonation process, while the detonation velocity in each explosive charge is 2000-2700 m / s, the height of the explosive charges, and welding gaps between the joined metals are also selected from the condition of obtaining the speed of impact of aluminum plates with a low carbon steel plate in the range of 370-490 m / s, the heat treatment of a welded three-layer workpiece to form continuous intermetallic diffusion layers between aluminum layers and a low carbon steel layer is carried out at a temperature 660-665 ° C for 0.7-1 h, cooled with an oven to a temperature of 640-650 ° C, maintained at this temperature for 2-3 h, followed by cooling in air, resulting in spontaneous separation from the aluminum layers on the steel layer intermetallic diffusion interlayers while forming a surface layer on a mild steel continuous heat-resistant coatings.

Новый способ получения покрытия имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по количеству жаростойких покрытий на стальных слоях, получаемых за один технологический цикл, так и по фазовому составу и по совокупности технологических приемов и режимов при его получении. Так предложено использовать для нанесения покрытий пластину из низкоуглеродистой стали, составлять пакет под сварку взрывом с симметричным размещением этой пластины между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 1,5-2 мм, при этом ее толщину предложено выбирать не менее 3 мм. Предложено располагать с двух сторон пакета на поверхностях алюминиевых пластин одинаковые заряды взрывчатого вещества и осуществлять его сварку взрывом с одновременным инициированием в зарядах процесса детонации, при этом скорость детонации в каждом заряде взрывчатого вещества должна быть в пределах 2000-2700 м/с, высоту зарядов взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами предложено выбирать из условия получения скорости соударения алюминиевых пластин с пластиной из низкоуглеродистой стали в пределах 370-490 м/с, что обеспечивает в пакете из металлических пластин надежную сварку алюминиевых пластин с пластиной из низкоуглеродистой стали с минимальной амплитудой волн в зонах соединения слоев, исключает нарушение сплошности металлических пластин при сварке взрывом, создает, благоприятные условия для получения при дальнейших технологических операциях жаростойких покрытий с высокими служебными свойствами за время одного технологического цикла одновременно с двух сторон пластины из низкоуглеродистой стали. Толщина алюминиевых пластин менее 1,5 мм является недостаточной для обеспечения стабильных сварочных зазоров между ними и пластиной из низкоуглеродистой стали, что может привести к появлению непроваров и других дефектов в зонах соединения слоев, а это, в свою очередь, может привести к снижению качества получаемой продукции. Толщина алюминиевой пластины более 2 мм является избыточной, поскольку при этом происходит чрезмерный расход алюминия в расчете на одно изделие. Алюминиевые слои в сваренной трехслойной заготовке необходимы для формирования двух жаростойких диффузионных прослоек из интерметаллидов системы алюминий-железо между алюминиевыми слоями и слоем из низкоуглеродистой стали при последующей термической обработке, а также для создания необходимого уровня внутренних термических напряжений, возникающих при охлаждении трехслойной заготовки, способствующих отделению алюминия от стального слоя по интерметаллидным диффузионным прослойкам. Предложено при составлении трехслойного пакета использовать стальную пластину из низкоуглеродистой стали, что обеспечивает возможность получения в зонах соединения этой пластины с алюминиевыми пластинами диффузионных прослоек из интерметаллидов системы алюминий - железо с необходимым составом и свойствами. При толщине стальной пластины менее 3 мм возможны неконтролируемые деформации металлических слоев при сварке взрывом, приводящие к снижению качества получаемой продукции. При ее толщине, равной или большей 3 мм, ухудшения качества сварных соединений и качества получаемой продукции при соблюдении предлагаемых технологических режимов не происходит. При скорости детонации взрывчатого вещества и скоростях соударения металлических пластин при сварке взрывом выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических пластин, при этом может происходить интенсивное волнообразование в зонах соединения слоев, что может привести к невозможности дальнейшего практического использования сваренных заготовок. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения пластин в пакете ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зонах соединения металлов, что приводит появлению брака получаемой продукции.The new method for producing coatings has significant differences compared with the prototype both in the number of heat-resistant coatings on steel layers obtained in one technological cycle, and in phase composition and in the totality of technological methods and modes for its preparation. It was proposed to use a low-carbon steel plate for coating, to make a package for explosion welding with a symmetrical placement of this plate between two aluminum plates with a thickness of 1.5-2 mm, while it was proposed to choose a thickness of at least 3 mm. It is proposed to place identical explosive charges on the surfaces of aluminum plates on both sides of the stack and to perform explosion welding with simultaneous initiation of the detonation process in the charges, while the detonation velocity in each explosive charge should be in the range of 2000-2700 m / s, the height of the explosive charges substances, as well as welding gaps between the metals to be joined, it is proposed to choose from the conditions for obtaining the collision speed of aluminum plates with a low-carbon steel plate within 370 -490 m / s, which ensures reliable welding of aluminum plates in a package of metal plates with a low-carbon steel plate with a minimum wave amplitude in the zones of connection of the layers, eliminates the violation of the continuity of metal plates during explosion welding, creates favorable conditions for receiving during further technological operations heat-resistant coatings with high service properties during one technological cycle simultaneously on both sides of a low-carbon steel plate. A thickness of aluminum fins of less than 1.5 mm is insufficient to ensure stable welding gaps between them and the low carbon steel plate, which can lead to the formation of imperfections and other defects in the zones of the connection of the layers, and this, in turn, can reduce the quality of the resulting products. Thickness of an aluminum plate of more than 2 mm is excessive, since there is an excessive consumption of aluminum per one product. The aluminum layers in a welded three-layer billet are necessary for the formation of two heat-resistant diffusion layers of intermetallic aluminum-iron systems between the aluminum layers and the low-carbon steel layer during subsequent heat treatment, as well as to create the necessary level of internal thermal stresses arising from cooling of the three-layer billet, which facilitate separation aluminum from the steel layer through intermetallic diffusion layers. It was proposed to use a steel plate made of low-carbon steel when compiling a three-layer package, which makes it possible to obtain diffusion layers from intermetallic compounds of the aluminum - iron system with the necessary composition and properties in the zones of the connection of this plate with aluminum plates. When the thickness of the steel plate is less than 3 mm, uncontrolled deformation of the metal layers during explosion welding is possible, leading to a decrease in the quality of the products obtained. With its thickness equal to or greater than 3 mm, there is no deterioration in the quality of welded joints and the quality of the products obtained, subject to the proposed technological regimes. When the detonation velocity of the explosive and the collision speeds of the metal plates during explosion welding are higher than the upper suggested limits, uncontrolled deformation of the metal plates is possible, and intense wave formation can occur in the zones of the connection of the layers, which can lead to the impossibility of further practical use of the welded workpieces. At the detonation velocity of explosives and the collision speeds of the plates in the package below the lower proposed limits, the occurrence of lack of fusion in the zones of metal joining, which leads to the appearance of defective products.

Термическую обработку сваренной трехслойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевыми слоями и слоем из низкоуглеродистой стали предложено проводить при температуре 660-665°С в течение 0,7-1 ч, охлаждать с печью до температуры 640-650°С, выдерживать в печи при этой температуре 2-3 ч с последующим охлаждением на воздухе, приводящим к самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стального слоя по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом с двух сторон стальной пластины сплошных жаростойких покрытий. Таким образом, термическую обработку предложено проводить в два этапа. На первом этапе ее проводят при температуре 660-665°С в течение 0,7-1 ч с переводом алюминиевых слоев в жидкое состояние, но, когда жидкотекучесть алюминия невелика, с последующим охлаждением с печью до температуры 640-650°С. На втором этапе заготовку выдерживают в печи при температуре 640-650°С в течение 2-3 ч с последующим охлаждением на воздухе, приводящим к самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стального слоя по интерметаллидным диффузионным прослойкам, то есть, когда алюминиевые слои находятся в твердом, закристаллизованном состоянии. При термической обработке первого этапа, когда алюминиевые слои находится в жидком состоянии, весьма существенно увеличивается скорость диффузионных процессов между стальным слоем и алюминиевыми слоями, что способствует получению за короткое время термической обработки на межслойных границах интерметаллидных диффузионных прослоек требуемой толщины и необходимого состава, материал которых обладает высокой жаростойкостью. При температуре и времени термической обработки первого этапа ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемых интерметаллидных диффузионных прослоек оказывается недостаточной, что снижает способность получаемых покрытий сопротивляться длительному окислительному воздействию газов при высоких температурах. Температура и время термической обработки выше верхних предлагаемых пределов являются избыточными, поскольку толщина интерметаллидных прослоек становится чрезмерной, при этом повышается вероятность хрупкого разрушения покрытий у получаемого материала при его дальнейшей эксплуатации в условиях теплосмен. Охлаждение с печью до температуры 640-650°С после термообработки первого этапа обеспечивает целостность диффузионных интерметаллидных прослоек в полученной многослойной заготовке. При термической обработке второго этапа происходит дополнительное увеличение толщины интерметаллидных диффузионных прослоек, но при этом в алюминиевых слоях возникают тонкие весьма хрупкие прослойки из интерметаллида FeAl₃, способствующие в процессе охлаждения на воздухе полученной многослойной заготовки самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стального слоя по интерметаллидным диффузионным прослойкам, при этом самопроизвольное отделение происходит по тонким слоям из интерметаллида FeAl₃, благодаря чему наружные поверхности полученных покрытий на стальной пластине имеют незначительную амплитуду шероховатости поверхности. При температуре и времени термической обработки второго этапа ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемых интерметаллидных диффузионных прослоек из интерметаллида FeAl₃ оказывается недостаточной и при этом не происходит самопроизвольного отделения алюминиевых слоев от стальных по интерметаллидным диффузионным прослойкам в процессе охлаждения многослойной заготовки на воздухе. При температуре и времени термической обработки этого этапа выше верхних предлагаемых пределов толщина получаемых интерметаллидных диффузионных прослоек из интерметаллида FeAl₃ оказывается избыточной, что приводит к получению покрытий на стальной пластине с чрезмерно большой амплитудой шероховатости поверхности.It was proposed that heat treatment of a welded three-layer billet to form continuous intermetallic diffusion layers between aluminum layers and a low-carbon steel layer be carried out at a temperature of 660-665 ° C for 0.7-1 h, cool with an oven to a temperature of 640-650 ° C, and keep in furnace at this temperature for 2-3 hours, followed by cooling in air, leading to spontaneous separation of the aluminum layers from the steel layer along the intermetallic diffusion layers with the formation of a steel plate on both sides us solid heat-resistant coatings. Thus, the heat treatment is proposed to be carried out in two stages. At the first stage, it is carried out at a temperature of 660-665 ° C for 0.7-1 h with the transfer of aluminum layers to a liquid state, but when the fluidity of aluminum is small, followed by cooling with a furnace to a temperature of 640-650 ° C. At the second stage, the billet is kept in a furnace at a temperature of 640-650 ° C for 2-3 hours, followed by cooling in air, which leads to spontaneous separation of the aluminum layers from the steel layer along the intermetallic diffusion layers, that is, when the aluminum layers are in solid, crystallized state. During the heat treatment of the first stage, when the aluminum layers are in a liquid state, the speed of diffusion processes between the steel layer and the aluminum layers increases very significantly, which contributes to obtaining in a short time the heat treatment at the interlayer boundaries of the intermetallic diffusion layers of the required thickness and composition, the material of which high heat resistance. At the temperature and time of heat treatment of the first stage below the lower proposed limits, the thickness of the obtained intermetallic diffusion layers is insufficient, which reduces the ability of the resulting coatings to resist the prolonged oxidative effects of gases at high temperatures. The temperature and time of heat treatment above the upper proposed limits are excessive, since the thickness of the intermetallic layers becomes excessive, while increasing the likelihood of brittle fracture of the coatings of the resulting material during its further operation under heat exchange conditions. Cooling with a furnace to a temperature of 640-650 ° C after heat treatment of the first stage ensures the integrity of the diffusion intermetallic layers in the resulting multilayer workpiece. During the heat treatment of the second stage, an additional increase in the thickness of the intermetallic diffusion layers occurs, but in this case thin very brittle layers of FeAl ₃ intermetallide appear in the aluminum layers, which contribute to spontaneous separation of the aluminum layers from the steel layer by intermetallic diffusion layers during cooling of the obtained multilayer billet, in this case, spontaneous separation occurs along thin layers of FeAl ₃ intermetallic compound, due to which the outer surfaces The obtained coatings on a steel plate have a small amplitude of surface roughness. At a temperature and time of heat treatment of the second stage below the lower proposed limits, the thickness of the obtained intermetallic diffusion layers from the FeAl ₃ intermetallic compound is insufficient and there is no spontaneous separation of aluminum layers from steel layers by intermetallic diffusion layers during cooling of the multilayer billet in air. At a temperature and time of heat treatment of this stage above the upper proposed limits, the thickness of the obtained intermetallic diffusion layers from the FeAl ₃ intermetallic compound is excessive, which leads to coatings on a steel plate with an excessively large surface roughness amplitude.

На фиг. 1 изображена схема сварки взрывом пакета из металлических пластин (вид сбоку), на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.In FIG. 1 shows a diagram of explosion welding of a package of metal plates (side view), FIG. 2 is a view along arrow A in FIG. one.

Предлагаемый способ получения покрытий осуществляется в следующей последовательности. Очищают от окислов и загрязнений поверхности свариваемых материалов и составляют трехслойный пакет под сварку взрывом с симметричным размещением между двумя алюминиевыми пластинами 1, 2 толщиной 1,5-2 мм пластины из низкоуглеродистой стали 3, при этом толщину этой пластины выбирают не менее 3 мм. Все свариваемые пластины в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров с помощью упоров 4, 5. На поверхности каждой алюминиевой пластины 1, 2 размещают защитные прослойки из высокоэластичного материала - резины 6, 7, защищающие металлические поверхности от повреждений при детонации взрывчатого вещества. Располагают с двух сторон полученного пакета контейнеры с одинаковыми зарядами взрывчатого вещества 8, 9 со скоростью детонации 2000-2700 м/с с генераторами плоской детонационной волны 10, 11. Высоту каждого заряда взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают с помощью компьютерных технологий из условия получения скорости соударения алюминиевых пластин с пластиной из низкоуглеродистой стали в пределах 370-490 м/с. Полученную сборку устанавливают вертикально на грунте 12. Сварку взрывом осуществляют с одновременным инициированием в зарядах взрывчатого вещества процесса детонации с помощью электродетонатора 13 и двух детонирующих шнуров 14, 15 равной длины и генераторов плоской детонационной волны 10, 11.The proposed method for producing coatings is carried out in the following sequence. They clean the surfaces of the materials to be welded from oxides and contaminants and make up a three-layer package for explosion welding with a symmetrical placement between two aluminum plates 1, 2 with a thickness of 1.5-2 mm plates of low carbon steel 3, while the thickness of this plate is chosen at least 3 mm. All the plates to be welded in the bag are arranged parallel to each other at the distance of the welding gaps using stops 4, 5. On the surface of each aluminum plate 1, 2, protective layers of highly elastic material - rubber 6, 7 are placed, which protect metal surfaces from damage during detonation of the explosive. Containers with the same explosive charges 8, 9 with a detonation velocity of 2000-2700 m / s with flat detonation wave generators 10, 11 are placed on both sides of the obtained package. The height of each explosive charge, as well as the welding gaps between the metals to be connected, are selected using computer technologies from the conditions for obtaining the collision speed of aluminum plates with a low-carbon steel plate in the range of 370-490 m / s. The resulting assembly is mounted vertically on the ground 12. Explosion welding is carried out while the detonation process is initiated in explosive charges using an electric detonator 13 and two detonating cords 14, 15 of equal length and plane detonation wave generators 10, 11.

После сварки взрывом, например, на фрезерном станке обрезают у сваренной трехслойной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами, закрепляют ее в специальном удерживающем устройстве, предназначенном для предотвращения стекания алюминия с поверхностей слоя из низкоуглеродистой стали при последующей термической обработке, размещают полученную сборку, например, в электропечи, после чего проводят термическую обработку сваренной трехслойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевыми слоями и стальным слоем при температуре 660-665°С в течение 0,7-1 ч, охлаждают с печью до температуры 640-650°С, выдерживают при этой температуре 2-3 ч, извлекают термически обработанную заготовку из удерживающего устройства, после чего ее охлаждают на воздухе, что приводит к самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стального слоя по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом одновременно с двух сторон пластины из низкоуглеродистой стали сплошных жаростойких покрытий, после чего эта пластина с нанесенными с двух ее сторон жаростойкими покрытиями, состоящими из интерметаллидов системы алюминий-железо, может быть использована по назначению, а отделенные алюминиевые слои с тонкими интерметаллидными слоями на их наружных поверхностях идут на вторичную переработку. Свойства покрытий на поверхности стальной пластины, полученных по предлагаемому способу, примерно такие же, как у изделий по прототипу: рабочая температура в окислительных газовых средах достигает 950-1000°С, малая амплитуда шероховатостей поверхности и пониженная склонность к образованию трещин при теплосменах, но, в отличие от прототипа, получение покрытий осуществляют одновременно с двух сторон пластины из низкоуглеродистой стали, без использования в технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, с сокращением количества операций сварки взрывом до одной.After explosion welding, for example, side edges with edge effects are cut off at a welded three-layer workpiece, for example, on a milling machine, they are fixed in a special holding device designed to prevent aluminum from draining from the surfaces of the low-carbon steel layer during subsequent heat treatment, and the assembly obtained is placed, for example, in electric furnaces, after which heat treatment of the welded three-layer billet is carried out to form continuous intermetallic diffusion layers between aluminum layers and a steel layer at a temperature of 660-665 ° C for 0.7-1 h, cooled with a furnace to a temperature of 640-650 ° C, maintained at this temperature for 2-3 h, remove the heat-treated workpiece from the holding device, and then it is cooled in air, which leads to spontaneous separation of the aluminum layers from the steel layer along the intermetallic diffusion layers with the formation of continuous heat-resistant coatings on both sides of the low carbon steel plate, after which this plate is coated with two e sides with heat-resistant coatings composed of intermetallic aluminum-iron systems can be used for its intended purpose, and the separated aluminum intermetallic layers with thin layers on their outer surfaces are recycled. The properties of the coatings on the surface of the steel plate obtained by the proposed method are approximately the same as those of the products of the prototype: the working temperature in oxidizing gas media reaches 950-1000 ° C, a small amplitude of surface roughness and a reduced tendency to crack during heat transfer, but, unlike the prototype, coatings are produced simultaneously on both sides of a low-carbon steel plate, without the use of scarce and expensive nickel in the technological scheme, with a reduction in the quantity explosion welding operations to one.

Сущность способа поясняется примерами. Все примеры, в том числе и пример по прототипу, сведены в таблице с указанием основных технологических режимов получения покрытия, состава и толщин свариваемых материалов, а также свойств полученного продукта.The essence of the method is illustrated by examples. All examples, including the example of the prototype, are summarized in a table indicating the main technological modes of obtaining coatings, the composition and thickness of the materials being welded, as well as the properties of the resulting product.

Пример 1Example 1

Берут пластину из низкоуглеродистой стали Ст3сп, а также две алюминиевые пластины из алюминия АД1, очищают их от окислов и загрязнений и составляют пакет под сварку взрывом с симметричным размещением между двумя алюминиевыми пластинами, толщиной каждой из них δ_Al=1,5 мм, пластины из низкоуглеродистой стали толщиной δ_н.у=3 мм. Длина всех пластин в пакете равна 400 мм, ширина - 300 мм. Все свариваемые пластины в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров с помощью упоров, например, из алюминия. На поверхности каждой алюминиевой пластины размещают защитные прослойки из высокоэластичного материала - резины толщиной 2 мм, защищающие металлические поверхности от повреждений при детонации взрывчатого вещества. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии определяют величину необходимых сварочных зазоров между пластиной из низкоуглеродистой стали и алюминиевыми пластинами h₁ и h₂.They take a plate of low-carbon steel St3sp, as well as two aluminum plates made of aluminum AD1, clean them of oxides and impurities and make up a package for explosion welding with symmetrical placement between two aluminum plates, each of them with a thickness of δ _Al = 1.5 mm, plates of mild steel with a thickness of δ _nu = 3 mm The length of all plates in the bag is 400 mm, the width is 300 mm. All welded plates in the package are arranged parallel to each other at a distance of the welding clearances using stops, for example, made of aluminum. On the surface of each aluminum plate are placed protective layers of highly elastic material - rubber 2 mm thick, protecting metal surfaces from damage during detonation of explosives. When assembling the package previously, using computer technology to determine the amount of required welding gaps between the plate of low carbon steel and aluminum plates h ₁ and h ₂ .

Для сварки взрывом пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2700 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество - порошкообразный аммонит 6ЖВ. Взрывчатое вещество помещают в два контейнера, например из электрокартона, с обеспечением высоты каждого заряда взрывчатого вещества Н_ВВ=15 мм, длиной 420 мм, шириной 320 мм, которые располагают с двух сторон полученного пакета. Для получения скорости соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров равна h₁=h₂=0,7 мм, что обеспечивает скорость соударения каждой алюминиевой пластины пластиной из низкоуглеродистой стали V=490 м/с. Полученную сборку устанавливают вертикально на песчаном грунте. Сварку взрывом осуществляют с одновременным инициированием в зарядах взрывчатого вещества процесса детонации с помощью электродетонатора, двух детонирующих шнуров равной длины и двух вспомогательных зарядов взрывчатого вещества - генераторов плоской детонационной волны из аммонита 6ЖВ.For burst welding, select an explosive from the recommended range with a detonation speed D _BB = 2700 m / s. This speed is provided by an explosive substance - powdered ammonite 6ZHV. The explosive is placed in two containers, for example from an electric cardboard, with the height of each explosive charge N _BB = 15 mm, 420 mm long, 320 mm wide, which are placed on both sides of the resulting package. To obtain the collision speed of metal layers within the proposed range, with the explosive charge parameters selected, the welding gaps are equal to h ₁ = h ₂ = 0.7 mm, which ensures the collision speed of each aluminum plate with a low-carbon steel plate V = 490 m / s. The resulting assembly is mounted vertically on sandy soil. Explosion welding is carried out with the simultaneous initiation in the explosive charges of the detonation process using an electric detonator, two detonating cords of equal length and two auxiliary charges of the explosive - generators of a plane detonation wave of 6GW ammonite.

После сварки взрывом, например, на фрезерном станке обрезают у сваренной трехслойной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами. После обрезки длина заготовки равна 380 мм, ширина - 280 мм. Затем закрепляют ее в специальном удерживающем устройстве, размещают полученную сборку в электропечи, после чего проводят термическую обработку сваренной трехслойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между стальным слоем и алюминиевыми слоями проводят при температуре Т₁=660°С в течение τ₁=1 ч, затем охлаждают с печью до температуры Т₂=640°С, выдерживают при этой температуре τ₂=3 ч, извлекают термически обработанную заготовку из удерживающего устройства, после чего ее охлаждают на воздухе, что приводит к самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стального слоя по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом одновременно с двух сторон пластины из низкоуглеродистой стали Ст3сп сплошных жаростойких покрытий, состоящих из интерметаллидов системы алюминий-железо, с толщиной каждого из них δ_инт=0,08 мм (80 мкм), при этом толщина пластины из низкоуглеродистой стали осталась почти на прежнем уровне - около 3 мм. Рабочая температура в окислительных газовых средах полученных покрытий достигает 950-1000°С, амплитуда шероховатостей поверхности не превышает 0,01 мм (10 мкм). У полученных покрытий пониженная склонность к образованию трещин при теплосменах. В отличие от прототипа получение покрытий по предлагаемому способу осуществляют одновременно с двух сторон пластины из низкоуглеродистой стали без использования в технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, при этом сокращено количество операций сварки взрывом до одной.After explosion welding, for example, on the milling machine, side edges with edge effects are cut off from the welded three-layer workpiece. After trimming, the workpiece is 380 mm long and 280 mm wide. Then, it is fixed in a special holding device, the assembly obtained is placed in an electric furnace, after which the welded three-layer billet is heat treated to form continuous intermetallic diffusion layers between the steel layer and aluminum layers at a temperature of T ₁ = 660 ° C for τ ₁ = 1 h then cooled with the oven to a temperature of T ₂ = 640 ° C, kept at this temperature τ ₂ = 3 hours, the heat-treated workpiece is removed from the holding device, after which it is cooled in air, which at leads to spontaneous separation of aluminum layers from the steel layer along intermetallic diffusion layers with the formation of continuous heat-resistant coatings consisting of aluminum-iron intermetallic compounds on both sides of the St3sp low-carbon steel plate, with each thickness δ _int = 0.08 mm (80 μm), while the thickness of the low-carbon steel plate remained almost at the same level - about 3 mm. The working temperature in the oxidizing gas media of the resulting coatings reaches 950-1000 ° C, the amplitude of the surface roughness does not exceed 0.01 mm (10 μm). The resulting coatings have a reduced tendency to crack during heat exchange. In contrast to the prototype, coatings according to the proposed method are carried out simultaneously on both sides of a low carbon steel plate without using scarce and expensive nickel in the technological scheme, while the number of explosion welding operations is reduced to one.

Пример 2Example 2

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.The same as in example 1, but the following changes.

Толщина каждой алюминиевой пластины δ_Al=1,8 мм, толщина пластины из низкоуглеродистой стали δ_н.у=10 мм. Для сварки взрывом пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2300 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 75% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 25% аммиачной селитры. Н_ВВ=15 мм. Для получения скорости соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров равна h₁=h₂=0,7 мм, что обеспечивает скорость соударения каждой алюминиевой пластины с пластиной из низкоуглеродистой стали V=430 м/с.The thickness of each aluminum plate δ _Al = 1.8 mm, the thickness of the plate from low carbon steel δ _n = 10 mm. For burst welding, select an explosive from the recommended range with a detonation speed D _BB = 2300 m / s. This speed is provided by an explosive, which is a mixture of 75% powdered ammonite 6GV and 25% ammonium nitrate. N _BB = 15 mm. To obtain the collision speed of metal layers within the proposed range, with the explosive charge parameters selected, the welding gaps are equal to h ₁ = h ₂ = 0.7 mm, which ensures the collision speed of each aluminum plate with a low-carbon steel plate V = 430 m / s .

Термическую обработку сваренной трехслойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевым и стальными слоями проводят при температуре Т₁=662°С в течение τ₁=0,8 ч, затем охлаждают с печью до температуры Т₂=645°С, выдерживают при этой температуре τ₂=2,5 ч извлекают термически обработанную заготовку из удерживающего устройства, после чего ее охлаждают на воздухе.Heat treatment of a welded three-layer billet to form continuous intermetallic diffusion layers between aluminum and steel layers is carried out at a temperature of T ₁ = 662 ° C for τ ₁ = 0.8 h, then it is cooled with an oven to a temperature of T ₂ = 645 ° C, kept at at this temperature τ ₂ = 2.5 hours, the thermally treated workpiece is removed from the holding device, after which it is cooled in air.

Результаты те же, что в примере 1, но толщина каждого из интерметаллидных покрытий δ_инт=0,07 мм (70 мкм), толщина пластины из низкоуглеродистой стали - около 10 мм.The results are the same as in example 1, but the thickness of each of the intermetallic coatings is δ _int = 0.07 mm (70 μm), and the thickness of the low-carbon steel plate is about 10 mm.

Пример 3Example 3

Толщина каждой алюминиевой пластины δ_Al=2 мм, толщина пластины из низкоуглеродистой стали δ_н.у=25 мм. Для сварки взрывом пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2000 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 50% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры. Н_ВВ=15 мм. Для получения скорости соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров равна h₁=h₂=0,7 мм, что обеспечивает скорость соударения каждой алюминиевой пластины с пластиной из низкоуглеродистой стали V=370 м/с.The thickness of each aluminum plate δ _Al = 2 mm, the plate thickness of mild steel _STP δ = 25 mm. For burst welding, select an explosive from the recommended range with a detonation speed D _BB = 2000 m / s. This speed is provided by an explosive, which is a mixture of 50% powdered ammonite 6GV and 50% ammonium nitrate. N _BB = 15 mm. To obtain the collision speed of metal layers within the proposed range, with the explosive charge parameters selected, the welding gaps are equal to h ₁ = h ₂ = 0.7 mm, which ensures the collision speed of each aluminum plate with a low-carbon steel plate V = 370 m / s .

Термическую обработку сваренной трехслойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевым и стальными слоями проводят при температуре T₁=665°С в течение τ₁=0,7 ч, затем охлаждают с печью до температуры Т₂=650°С, выдерживают при этой температуре τ₂=2 ч, извлекают термически обработанную заготовку из удерживающего устройства, после чего ее охлаждают на воздухе.Heat treatment of a welded three-layer billet to form continuous intermetallic diffusion layers between aluminum and steel layers is carried out at a temperature of T ₁ = 665 ° C for τ ₁ = 0.7 h, then it is cooled with an oven to a temperature of T ₂ = 650 ° C, kept at this temperature τ ₂ = 2 h, removed from heat-treated workpiece holding device, after which it was cooled in air.

Результаты те же, что в примере 1, но толщина каждого из интерметаллидных покрытий δ_инт=0,06 мм (60 мкм), толщина пластины из низкоуглеродистой стали - около 25 мм.The results are the same as in example 1, but the thickness of each of the intermetallic coatings δ _int = 0.06 mm (60 μm), the thickness of the plate from low carbon steel is about 25 mm.

При получении покрытия по прототипу (см. таблицу, пример 4) за один технологический цикл получают на поверхности лишь с одной стороны стальной пластины, имеющей толщину от 3 до 7 мм, сплошное жаростойкое покрытие, состоящее из наружного слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной от 0,045 мм (45 мкм) до 0,065 мм (65 мкм) и промежуточной никелевой прослойки толщиной 0,3-0,6 мм. Как и у предлагаемого способа, рабочая температура жаростойкого покрытия в окислительных газовых средах достигает 950-1000°С, амплитуда шероховатостей поверхности покрытия не превышает 10 мкм, пониженная склонность к образованию трещин при теплосменах, но, в отличие от предлагаемого способа, при получении покрытия по прототипу используют дефицитный и дорогостоящий никель, дважды осуществляют операции сварки взрывом, что приводит к существенным затратам на получение покрытия, а это ограничивает применение данного способа при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок.Upon receipt of the coating according to the prototype (see table, example 4), in one technological cycle, a continuous heat-resistant coating consisting of an outer layer of intermetallic compounds of an aluminum-nickel system thickness is obtained on the surface from only one side of a steel plate having a thickness of 3 to 7 mm from 0.045 mm (45 μm) to 0.065 mm (65 μm) and an intermediate nickel layer 0.3-0.6 mm thick. As with the proposed method, the working temperature of the heat-resistant coating in oxidizing gas environments reaches 950-1000 ° C, the amplitude of the surface roughness does not exceed 10 μm, a reduced tendency to crack during heat exchange, but, unlike the proposed method, when obtaining a coating by the prototype uses scarce and expensive nickel, twice perform explosion welding operations, which leads to significant costs for coating, and this limits the application of this method in the manufacture heat-resistant parts of power and chemical plants.

Claims

A method of obtaining a heat-resistant intermetallic coating on the surface of a low-carbon steel plate, comprising compiling a package of metal plates, placing an explosive charge and performing explosion welding, after which heat treatment of the welded workpiece is carried out to form a continuous intermetallic diffusion layer of a given thickness at the metal interface with subsequent separation the resulting workpiece on a diffusion layer, characterized in that the said package constitute t with a symmetrical placement between two aluminum plates with a thickness of 1.5-2 mm low-carbon steel plates of a thickness of at least 3 mm, using the same explosive charges, which are located on both sides of the package on the surfaces of aluminum plates, and carry out explosion welding while initiation in the aforementioned explosive charges of the detonation process with a detonation velocity in each of them equal to 2000-2700 m / s, and the height of the explosive charges and welding gaps between the connected meta llamas choose from the conditions for obtaining the collision speed of aluminum plates with a low-carbon steel plate in the range of 370-490 m / s, and the heat treatment of the welded billet is carried out at a temperature of 660-665 ° C for 0.7-1 h, then it is cooled with the furnace to temperatures of 640-650 ° C and maintained at this temperature for 2-3 hours, followed by cooling in air until the aluminum layers spontaneously separate from the steel plate along intermetallic diffusion layers and form at the same time on the surface of the plate from low carbon hoist on both sides of the solid refractory intermetallic aluminum coating systems - iron.