КОНСТРУКЦИЯ НЕРАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК B23K1/20 

Изобретение относится к пайке и сварке и может найти применение в различных областях машиностроения для получения жаропрочных соединений металлов с неметаллами в конструкциях с аксиальной симметрией пайки или сварки, предназначенных для работы в условиях комплексного термомеханического нагружения соединения при воздействии температур, превышающих 1000^оС.

Известна конструкция компенсационного спая для металлокерамических узлов (МКУ), в которой термические напряжения компенсируются за счет введения в конструкцию соединения тонкостенной манжеты компенсаторного кольца и специального профиля металлического основания [1] .

Недостатком известной конструкции является сложность ее изготовления и, особенно, низкие характеристики механической прочности соединения, которое может удовлетворительно работать только при простом осевом нагружении.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату следует отнести паяную конструкцию, в которой припой используется в комплекте с пористым металлическим наполнителем, размеры пор которого составляют 0,1. . . 10 мкм [2] .

Недостатком известной конструкции является низкие показатели прочности, твердости и термостойкости паяного шва в связи с тем, что в качестве припоев используют легкоплавкие сплавы, которые не должны растворять пористый металлический наполнитель.

Целью изобретения является увеличение прочности и твердости соединения.

Это достигается тем, что конструкция неразъемного соединения, содержащая металлические и неметаллические элементы и размещенную между ними прослойку, имеет пористую прослойку с величиной пористости от 30 до 80% .

При этом оптимальная толщина прослойки прямо пропорциональна толщине металлической части конструкции и обратно пропорциональна ее пористости.

Для увеличения прочности соединения конструкция снабжена элементом жесткости, размещенном в пористой прослойке; кроме того, металлическая часть конструкции выполнена составной с размещением пористой прокладки между металлическими частями.

На фиг. 1 представлена прослойка губчатого строения с преимущественной лабиринтной формой пор; на фиг. 2 - график прочности на срез (τ_cр) в зависимости от толщины пористой прокладки; на фиг. 3 - конструкция с промежуточной прослойкой, содержащей цилиндрические элементы жесткости: а) - гладкий; б) - гофрированный; в) - спиральный; на фиг. 4 - конструкция, в которой металлический элемент выполнен из спеченной порошковой композиции; на фиг. 5 - составная конструкция, в которой общая толщина прослойки разбита на две части для запаивания неметаллического элемента в толстостенном металлическом; на фиг. 6 - одна из возможных комбинаций исполнения с учетом перечисленных выше вариантов; на фиг. 7 - лезвийный инструмент для отработки материалов резанием.

В качестве примера на фиг. 1. . . 5 представлена конструкция паяного соединения кубического нитрида бора (эльбора-Р) со сталью, которая после соответствующей заточки используется в качестве лезвийного инструмента для обработки материалов резанием.

Пористая прослойка 1 (фиг. 1) имеет высокую пористость - около 60% . Благодаря губчатому строению прослойки и наличию в ней малых и больших пор имеются большие возможности смещений частиц металла как в упругой, так и пластической области. Чтобы использовать только упругие деформации прослойки, необходимо ограничить ее пластические свойства повышением твердости и прочности. Путем многочисленных замеров микротвердости промежуточной прокладки установлено, что конструкции соединений металлов с неметаллами удовлетворительно работают на ударные и вибрационные нагрузки при твердости материала прокладки не ниже 40 ед. НRC, т. е. , в основном, в зоне ее упругих перемещений.

Упругие деформации губчатой прослойки 1 позволяют полностью компенсировать тепловые перемещения стальной части 2, представленной на фиг. 1 зоны соединений, и полностью нейтрализовать влияние температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в соединениях с неметаллической частью конструкций. Следует отметить, что даже при очень высоких температурах пайки или сварки, такое строение промежуточного слоя позволяет предотвратить от разрушения многие неметаллические материалы - керамику, стекло, различные сверхтвердые синтетические материалы, и в то же время использовать сколь угодно тугоплавкие, прочные и твердые материалы для промежуточного слоя. Конструкции на паяных или сварных пористых прокладках выдерживают большие механические и тепловые нагрузки, в том числе ударные, вибрационные, термоциклические и др.

Основными факторами, влияющими на качество конструкции неразъемного соединения, являются толщина пористой прослойки, размеры металлической части конструкции, пористость и физико-механические свойства материала прослойки.

На фиг. 2 представлен график зависимости прочности на срез от толщины пористой прокладки для соединения эльбора со сталью. График получен в результате статистической обработки материалов при испытаниях на срез образцов, в которых использовался сплав Ti-Fe-Ni в качестве материала прокладки с твердость 50. . . 54 ед. НRC и пористостью в 50% . Внешний диаметр стальной гильзы составлял 10 мм, внутренний для запайки эльбора от 4,00 до 5,00 мм.

В результате анализа графической зависимости было определено: образцы с толщиной промежуточной пористой прокладки менее 0,2 мм имеют трещины от термических послепаечных напряжений по эльбору;
образцы с толщиной прокладки более 0,2 до 0,35 м имеют достаточно высокие показания прочности на срез при полном отсутствии трещин и разрушений по эльбору;
образцы с толщиной прокладки более 0,35 мм имеют низкие показатели прочности соединения при отсутствии трещин и разрушений на эльборе.

Экспериментальные исследования прочности соединений эльбора со сталью осуществлялись также с целью проверки теоретической зависимости по определению основных параметров телескопической конструкции;
S = 1- где Е - модуль упругости материал прослойки, Н/м² или МПа;
α - ТКЛР металлической части паяной или сварной конструкции 1/град. ;
Т_п - температура пайки или сварки в ^оС;
D-d - внешний и внутренний диаметры металлической (охватывающей) части коаксиальной конструкции, мм;
П - пористость припоя;
Р - нагрузка на пористую структуру, Н/м² или МПа;
μ - коэффициент Пуассона для материала пористой прокладки.

При помощи представленной зависимости определяются основные параметры разрабатываемых конструкций алмазного лезвийного инструмента для серийного производства, при этом толщина S прокладки имеет прямо пропорциональную зависимость от двойной толщины металлической части (D-d), обратно пропорциональна пористости промежуточного слоя (П) и зависит от физико-механических свойств материала прослойки (Е, α, μ).

Нагрузка Р при расчетах подбирается из условий работы промежуточной прокладки: в упругой зоне; в упругопластической зоне; при условии Р = (σ)_cж. , т. е. допускаемых напряжений на сжатие неметаллической части конструкции.

Определяя по приведенной зависимости толщины прокладок, легко убедиться, что возможности получения качественных конструкций ограничены. Например, при заделке эльбора с размерами l = d = 4 мм увеличение расчетной толщины прокладки составляет (для материалов, использованных при получении графической зависимости фиг. 2):
для D = 8 мм, S = 0,15 мм;
D = 10 мм, S = 0,22 мм;
D = 12 мм, S = 0,30 мм;
D = 16 мм, S = 0,45 мм.

Поскольку график (фиг. 2) получен для D = 10 мм, то расчетное значение S = 0,22 совпадает с максимальными значениями прочности при отсутствии разрушений на поликристалле эльбора. Однако зазор S = 0,45 мм при диаметре стальной державки D = 16 мм не обеспечит надлежащей прочности соединения. С другой стороны, произвольное уменьшение зазора S неизбежно приведет к увеличению послепаечных напряжений, появлению трещин на поликристалле эльбора и неудовлетворительной работе конструкции - разрушении режущей части при лезвийной обработке.

В этом случае предлагается использовать несколько конструктивных решений.

На фиг. 3 представлено три варианта увеличения прочности пористых прокладок толщиной S = 0,3. . . 0,4 мм.

Вариант а). В пористую прокладку впаивается цилиндрический элемент жесткости с толщиной стенки 0,1. . . 0,15 мм из тугоплавкого металла, например молибдена или вольфрама. Необходимым условием выполнения усиления прокладки является отсутствие растворения материала элемента жесткости при запаивании в прокладке. Вариант дает, в среднем увеличение прочности пористой прокладки на 25% .

Вариант б). В пористую прокладку впаивается цилиндрический гофрированный элемент жесткости с толщиной 0,1. . . 0,15 мм также из тугоплавкого металла. При размерах поликристалла l/d<1 выполняются гофры продольные аксиальной симметрии соединения (как представлено на чертеже); при соотношении l/d<1 - поперечные. Данный вариант позволяет увеличить прочность соединения до 30% .

Вариант в). В пористую прокладку впаивается спиральный элемент жесткости из тугоплавкого металла, свернутый из листа толщиной 0,1. . . 0,15 мм. Позволяет увеличить прочность на 25% при толщине прокладки от 04, до 0,5 мм.

На фиг. 3 обозначения: 1 - металлический корпус, 2 - эльбор, 3 - прокладка, 4 - элемент жесткости.

Все предложенные конструкции с элементами жесткости в пористой прокладке создают также условия, препятствующие коагуляции пор в крупные раковины и тем самым позволяют выполнять мелкопористое строение промежуточной прокладки.

На фиг. 4 представлена конструкция, в которой металлический корпус 1 выполнен из спеченной порошковой композиции. В этом случае в расчетах конструкции учитывается пористость порошкового корпуса, который позволяет уменьшить толщину пористой прокладки 2 между корпусом 1 и эльбором 3 и значительно повысить прочность соединения. Например, изготовление корпуса из спеченных твердосплавных материалов с пористостью не более 10% по расчетам в зависимости от значений D - d позволяет уменьшить толщину пористой прокладки на 10. . . 20% , а прочность соединения увеличить на 50. . . 100% .

На фиг. 5 представлена составная конструкция, предназначенная для дифференцирования или разделения пористых прокладок большой толщины S > 0,5 мм путем введения в основную стальную державку 1 дополнительного стального элемента 2, в который затем крепиться эльбор 3. При этом пористая прокладка 4 между державкой и дополнительным элементом вместе с прокладкой 5 между эльбором и элементом 2 в сумме должна составлять расчетное значение S. Например, для крепления эльбора в стальной державке диаметром 20 мм или 20х20 мм по расчетам необходима прокладка толщиной в 0,75 мм. Эта толщина делится либо поровну, либо по расчету для эльбора в зависимости от диаметра дополнительного элемента 2. Например, расчетная величина прокладки между эльбором 3 и элементом 2 составила S = 0,25 мм. Тогда толщина прокладки между державкой 1 и элементом 2 составит 0,5 мм. В этом случае прокладка 4 между державкой 1 и эементом 2 может выполняться по фиг. 3 в. Дифференцирование пористых прокадок позволяет "гасить" ступенчато послепаечные напряжения, для чего можно расчетный зазор в 0,75 мм разделить на три части и ввести в конструкцию дополнительный элемент, т. е. иметь три прокладки по 0,25 мм, что предотвратит эльбор от разрушения и увеличит демпфирующие свойства конструкции, особенно необходимые при работе соединения на вибрацию и удар.

На фиг. 6 представлен один из вариантов комбинации всех видов предыдущих конструкций. В представленной конструкции стальной корпус 1 соединен с порошковым спеченным элементом 2 посредством прокладки 4, имеющей тугоплавкий элемент жесткости 5, в свою очередь спеченный порошковый элемент через прокладку удерживает эльбор. В данном случае имеет место комбинированная система снятия послепаечных напряжений и создание высоких демпфирующих свойств соединения.

Предложенный вариант комбинированной конструкции по фиг. 6 без тугоплавкого элемента 5 используется для изготовления эльборовых сверл в опытном варианте. Сверла предназначены для замены низкопроизводительных алмазных сверл по неметаллическим материалам - бетону, мрамору и др. строительным материалом.

Предложенные конструкции используются как в серийном производстве лезвийного инструмента из композиционных сверхтвердых материалов на основе нитрида бора и синтетического алмаза, так при разработке новых видов инструмента (фиг. 7). Такой инструмент позволяет вести мехобработку на повышенных режимах резания, не боится нагрева режущих элементов до 800^оС, выдерживает большие ударные нагрузки за счет демпфирующих свойств промежуточных прокладок. В серийном производстве брак не превышает 2. . . 3% . Высокое качество крепления позволяет изготавливать инструмент, например, из эльбора в канавочном и резьбонарезном исполнении.

Использование: получение жаропрочных соединений металлов с неметаллами в конструкциях с аксиальной симметрией, в частности при изготовлении лезвийного режущего инструмента с алмазными вставками или с элементами на основе синтетических сверхтвердых материалов. Сущность: конструкция неразъемного соединения содержит металлические и неметаллические элементы и размещенную между ними пористую прокладку с величиной поверхности от 30 до 80% . При этом для сохранения высокой прочности толщина пористой прокладки увеличивается с увеличением толщины металлической части конструкции и уменьшается с увеличением пористости прокладки. Прочность конструкции увеличивается также путем установки элементов жесткости в прокладку, а также за счет изготовления конструкций из нескольких металлических элементов, соединенных между собой пористыми прокладками. 3 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. КОНСТРУКЦИЯ НЕРАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ, содержащая металлические и неметаллические элементы и размещенную между ними прослойку, отличающаяся тем, что, с целью увеличения прочности и твердости соединения, прослойка выполнена пористой с величиной пористости 30 - 80% . 2. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что толщина прослойки прямо пропорциональна толщине металлической части конструкции и обратно пропорциональна ее пористости. 3. Конструкция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена элементом жесткости, размещенным в пористой прослойке. 4. Конструкция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что металлическая часть конструкции выполнена составной с размещением пористой прокладки между металлическими частями.