Способ разделения композиционного материала титан-сталь

Изобретение относится к технологии разделения металлических материалов и может быть использовано в перерабатывающей промышленности для утилизации отходов титаностальных слоистых композиционных материалов. Способ включает термическое воздействие на материал до температуры активного межфазного взаимодействия титана и стали 950-1000°С, выдерживают при этой температуре в течение 3-10 часов до образования в зоне соединения титана и стали хрупкой прослойки толщиной 180-220 мкм. Затем осуществляют закалку в воде или водном растворе поваренной соли с концентрацией не более 15%, приводящую к самопроизвольному разделению титана и стали. Техническим результатом изобретения является создание новой технологии разделения композиционного материала титан-сталь за счет выращивания при термической обработке хрупкой прослойки оптимальной толщины в зоне соединения титана и стали с последующим самопроизвольным разделением материала на слои при его закалке в оптимально подобранных охлаждающих средах, при этом не требуется какое-либо внешнее силовое воздействие на разделяемый материал. 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии разделения металлических материалов без внешних силовых воздействий и может быть использовано в перерабатывающей промышленности для утилизации отходов титаностальных слоистых композиционных материалов.

Известен способ разделения металлических материалов, предназначенный для измельчения отходов из титановых сплавов, при котором охлаждают материал до температуры хладноломкости с последующим отделением одной части материала от другой, приложением усилия деформирования, при этом с целью повышения производительности и улучшения качества получаемых изделий при измельчении отходов из титановых сплавов усилие деформирования прикладывают к материалу консольно, осуществляя процесс ломки при скорости деформирования 0,1-10 мм/с (Патент РФ №2014969, МПК B23D 31/00, опубл. 30.06.94).

Недостатком данного способа является применение дорогостоящего жидкого азота для охлаждения отходов из титановых сплавов и мощного прессового оборудования для их измельчения, что существенно удорожает процесс разделения металлических материалов. Кроме того, данный способ имеет ограниченную применимость, поскольку непригоден для разделения слоистых композиционных материалов из титана и стали.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ частичного расслоения биметалла сталь-титан после отпуска при 550°С в течение 3 часов. Если в биметалле до термообработки имелись большие концевые расслои или скопления близко расположенных мелких дефектов, то при термической обработке листов наблюдались случаи значительного увеличения площади дефектов. Так после отпуска длина расслоя на конце листа по всей ширине увеличилась с 0,6 до 1,3 м. Кроме того, в случае попадания при плакировании объемов воздуха между слоями при нагреве наблюдается вздутие плакирующего слоя, которое также сопровождается увеличением первоначальных размеров дефекта (расслоя) двухслойных листов (Слоистые металлические композиции. Учебное пособие / Потапов И.Н., Лебедев В.Н., Кобелев А.Г., Кузнецов Е.В., Быков А.А., Ключников P.M. - М.: Металлургия, 1986, с.98-101).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено лишь частичным разделением в композиционном материале титана и стали, и поэтому невозможностью его промышленного применения.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового экономичного способа разделения титана и стали в композиционном материале титан-сталь, пригодного для промышленного применения, с выращиванием хрупкой диффузионной прослойки в зоне соединения титана и стали заданной толщины, с регламентируемым нагревом, выдержкой при заданной температуре и закалкой разделяемого композита с заданной скоростью охлаждения, что создает новые технологические условия для самопроизвольного разделения титана и стали в композиционном материале титан-сталь за счет возникающих в хрупкой прослойке внутренних напряжений необходимого уровня, что позволит для разделения композиционного материала титан-сталь не использовать прессовое оборудование.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии разделения композиционного материала титан-сталь на основе выбора технологических режимов выращивания хрупкой прослойки оптимальной толщины в зоне соединения титана и стали с определением температурно-временных условий ее получения, выбор закалочных сред, что обеспечивает полное самопроизвольное разделение титана и стали в слоистом композиционном материале в процессе закалки за счет возникающих внутренних напряжений и при этом нет необходимости использовать какое-либо прессовое, станочное или иное механическое оборудование.

Указанный технический результат достигается тем, что заявлен способ разделения композиционного материала титан-сталь, при котором осуществляют термическое воздействие на материал до температуры активного межфазного взаимодействия титана и стали, при этом материал нагревают до температуры 950-1000°С, выдерживают при этой температуре в течение 3-10 часов до образования в зоне соединения титана и стали хрупкой прослойки толщиной 180-220 мкм, а затем осуществляют закалку в воде или водном растворе поваренной соли с концентрацией не более 15%, приводящую к разделению титана и стали.

В таких условиях термического и силового воздействия на разделяемый композиционный материал в зоне соединения титана и стали за сравнительно короткое время формируется, благодаря диффузионным процессам, сплошная хрупкая интерметаллидная прослойка, что облегчает процесс разделения композиционного материала при закалке в быстроохлаждающих средах, позволяющих создавать в материале внутренние напряжения, величина которых обеспечивает самопроизвольное разделение материала на слои из титана и стали.

Новый способ разделения композиционного материала титан-сталь имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по достигаемому результату, так и по совокупности технологических приемов воздействия на разделяемые материалы и режимов осуществления способа. Так предложено разделяемый материал нагревать до температуры 950-1000°С, что обеспечивает необходимую скорость диффузионных процессов в зоне соединения титан-сталь, приводящих к образованию хрупкой диффузионной прослойки. При температуре нагрева ниже нижнего предела для образования хрупкой прослойки требуется большое время выдержки, что экономически нецелесообразно. При температуре нагрева выше верхнего предела требуется дорогостоящее печное оборудование, что также экономически нецелесообразно. Предложено выдерживать разделяемый композиционный материал при заданной температуре 950-1000°С в течение 3-10 часов. Время выдержки менее 3 часов не обеспечивает образования сплошной хрупкой прослойки толщиной 180-220 мкм, что при последующей закалке исключает самопроизвольное полное разделение материала на слои из титана и стали. Время выдержки более 10 часов является избыточным и экономически нецелесообразным, поскольку не облегчает процесс разделения материала.

Предложено выращивать в композиционном материале титан-сталь хрупкую прослойку толщиной 180-220 мкм, что при закалке материала обеспечивает механизм высокоскоростного хрупкого разрушения композита по всей площади хрупкой прослойки. При толщине прослойки менее 180 мкм происходит лишь частичное расслоение материала при закалке. Толщина прослойки более 220 мкм является избыточной и экономически нецелесообразной.

Предложено осуществлять закалку композиционного материала титан-сталь в воде или в водном растворе поваренной соли с концентрацией не более 15%, что обеспечивает нужную высокую скорость охлаждения материала, вызывающую необходимый уровень внутренних термических напряжений в хрупкой прослойке, и приводит к самопроизвольному разделению титана и стали. Предлагаемые охлаждающие среды являются наиболее дешевыми и не содержат вредных соединений. Добавки в воду поваренной соли до 15% увеличивают скорость охлаждения композиционного материала при закалке и способствует более надежному разделению титана и стали. Применять водные растворы поваренной соли целесообразно для разделения композитов с пониженной толщиной хрупкой прослойки.

Увеличение концентрации поваренной соли в воде выше предлагаемого верхнего предела нецелесообразно, так как это приводит к снижению скорости охлаждения закаливаемого материала, ухудшает эффективность разделения титана и стали. Применение закалочных жидкостей с меньшей скоростью охлаждения, чем у воды, не обеспечивает надежного полного разделения титана и стали.

Предлагаемый способ разделения композиционного материала титан-сталь осуществляется в следующей последовательности.

Берут листовой композиционный материал титан-сталь и помещают, например, в электрическую печь, нагретую до температуры 950-1000°С, выдерживают при этой температуре в течение 3-10 часов, что обеспечивает образование в зоне соединения титана и стали хрупкой прослойки толщиной 180-220 мкм, затем производят закалку материала в воде или водном растворе поваренной соли концентрацией не более 15%, что приводит к самопроизвольному полному разделению титана и стали.

Пример 1 (см. таблицу, опыт 1). Для разделения используют сваренную взрывом пластину из композиционного материала титан-сталь длиной l=200 мм, шириной b=150 мм. Титановый слой из технического титана ВТ1-0 (ГОСТ 19807-74) толщиной δ_Ti=2 мм, стальной слой из низкоуглеродистой качественной стали 08 (ГОСТ 1050-74) толщиной δ_Ст=2 мм. Предварительный ультразвуковой контроль показал отсутствие в материале непроваров и расслоений. Помещают пластину из композиционного материала в электрическую печь, нагревают до температуры t_H=950°C и выдерживают при этой температуре в течение 10 часов, что обеспечило образование в зоне соединения титана и стали сплошной хрупкой прослойки толщиной δ_пр=210-220 мкм. После этого производят закалку разделяемой заготовки в технической воде и при этом происходит самопроизвольное отделение титанового слоя от стального. Полученные при этом стальной и титановый листы пригодны для дальнейшей утилизации.

Пример 2 (см. таблицу, опыт 2). То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Размеры пластины из разделяемого композиционного материала титан-сталь: l=230 мм, b=160 мм, толщины слоев: δ_Ti=6 мм; δ_Ст=6 мм. Температура нагрева t_H=980°С, время выдержки в печи - 6 часов, что обеспечило появление в материале хрупкой прослойки толщиной δ_пр=200-210 мкм. Закалку материала осуществляли в 5%-ном водном растворе поваренной соли. В результате закалки материал полностью расслоился.

Пример 3 (см. таблицу, опыт 3). То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Размеры пластины из разделяемого материала: l=250 мм, b=180 мм. Толщины слоев: δ_Ti=10 мм, δ_Ст=10 мм. Температура t_H=1000°С, время выдержки 3 часа, что обеспечило появление в материале хрупкой прослойки толщиной δ_пр=180-200 мкм. Закалку осуществляли в 15%-ном водном растворе поваренной соли. Результаты разделения материала те же, что в примерах 1-2.

Пример 4 (см. таблицу, опыт 4, разделение материала титан-сталь по прототипу).

Для разделения использовали сваренную взрывом пластину из слоистого композиционного материала, состоящего из титана ВТ 1-0 и стали Ст3. Обрезку боковых кромок композита для удаления непроваренных участков по периметру заготовки не проводили. Размеры пластины: l=270 мм, b=200 мм, δ_Ti=5 мм, δ_Ст=15 мм. После сварки по концам заготовки находились концевые расслои шириной 5-12 мм, по бокам - 3-8 мм. Разделяемую пластину нагревали в электрической печи до температуры t_Н=550°C и выдерживали в течение 3 часов, после чего проводили охлаждение на воздухе. Визуальным контролем отделение титанового слоя от стального не обнаружено. После порезки пластины металлографическим анализом было выявлено увеличение площади краевых непроваров по периметру композиционной пластины на 20-40%, образовавшаяся диффузионная хрупкая прослойка на межслойной границе не сплошная, толщина прослойки δ_пр=0-1 мкм. Результаты данного опыта показывают, что разделение композиционного материала титан-сталь по прототипу обеспечивает лишь частичное разделение титана и стали и такой способ разделения не может иметь промышленного применения.

Предлагаемый способ разделения композиционного материала титан-сталь, предназначенный для использования в перерабатывающей промышленности для утилизации отходов слоистых композиционных материалов впервые обеспечил без применения прессового или иного станочного оборудования полное самопроизвольное разделение титана и стали в композиционном материале титан-сталь за счет создания в зоне соединения разнородных слоев хрупкой прослойки оптимальной толщины при термической обработке и ускоренного охлаждения при закалке в оптимально подобранных закалочных средах.

Таблица
№ опыта	Контролируемый объект	Размеры пластин из разделяемого материала	Технологические условия разделения композиционного материала титан-сталь	Результаты контроля процесса разделения композита
Ширина и длина, мм	Толщина стального слоя, мм	Толщина титанового слоя, мм	Температура нагрева, °С	Время выдержки, час.	Толщина хрупкой прослойки, мкм	Состав охлаждающей жидкости
1	Предлагаемый способ	150×200	2	2	950	10	210-220	Вода техническая	Произошло полное отделение титана от стали
2	Предлагаемый способ	160×230	6	6	980	6	200-210	Водный раствор поваренной соли с концентрацией 5%	То же, что в опыте №1
3	Предлагаемый способ	180×250	10	10	1000	3	180-200	Водный раствор поваренной соли с концентрацией 15%	То же, что в опыте №1
4	Прототип	200×270	15	5	550	3	0-1	Воздух	Произошло лишь частичное отделение титана от стали

Способ разделения композиционного материала титан-сталь, при котором осуществляют термическое воздействие на материал до температуры активного межфазного взаимодействия титана и стали, отличающийся тем, что материал нагревают до температуры 950-1000°С, выдерживают при этой температуре в течение 3-10 ч до образования в зоне соединения титана и стали хрупкой прослойки толщиной 180-220 мкм, а затем осуществляют закалку в воде или водном растворе поваренной соли с концентрацией не более 15%, приводящую к разделению титана и стали.