СПОСОБ ПАЙКИ СИНТЕТИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1994 года по МПК B23K1/20 

Изобретение относится к пайке синтетических сверхтвердых материалов, преимущественно синтетических алмазов типа АСПК и кубического нитрида бора (эльбора-Р) с металлом, и может быть использовано для изготовления режущего инструмента.

Целью изобретения является повышение ударной прочности запаиваемых поликристаллов.

Указанная цель достигается комбинированным способом пайки синтетических сверхтвердых материалов, преимущественно синтетических алмазов типа АСПК и кубического нитрида бора (эльбора-Р), включающим сборку паяемой конструкции, размещение порошкового припоя и пайку с приложением давления в котором пайку осуществляют электронным пучком со скоростью нагрева до температуры пайки 30-100 град/с и с одновременным аберрационным облучением поликристаллов до степени модификации 1-7% .

При этом используют плотность энергии аберрационного излучения в пределах 0,1-3,8 Вт/мм² в условиях нагрева поликристаллов от 650 до 1400^оС с длительностью облучения 2-120 с.

С партии заготовок эльбора-Р в количестве 40 шт были предварительно отсняты рентгенограммы на "Дрон-3", после чего заготовки были запаяны в стальные гильзы припоем ПСр-45. Двадцать заготовок запаивались обычным индукционным методом, другие двадцать заготовок запаивались на электронно-лучевой установке ЭЛУ-9Б с приблизительно одинаковыми режимами нагрева. Из запаянных различными способами двух партий заготовок по 10 из каждой были отобраны для изготовления шлифов и по 10 на изготовление режущих вставок. Рентгеноструктурный анализ полученных шлифов показал отклонения от исходных рентгенограмм только у образцов, полученных методом электронно-лучевой пайки. Обработка резанием в условиях удара показала, что более стойкие к удару оказались образцы, полученные методом электронно-лучевой пайки.

Образцы эльбора и АСПК были исследованы на "холодное" облучение рассеянными пучками электронов при ускоряющем напряжении 10-30 кВ. Было установлено, что электронное облучение без нагрева поликристаллов не изменяет их структуру.

Механизм структурного превращения при термоэлектронной обработке поликристаллов зависит от трех факторов: температуры нагретого поликристалла, плотности энергии облучения и длительности процесса облучения. Нагрев, как известно, увеличивает подвижность атомов (ионов) в кристаллической решетке. В соответствии со степенью нагрева в кристаллитах последовательно протекают процессы выравнивания искажений кристаллической решетки, полученных в результате синтеза, перемещение точечных и линейных дефектов, а при высоких температурах нагрева - изменение кристаллической решетки из ОЦК в гексагональную. Энергия электронного пучка, воздействующая на поликристалл, интенсифицирует протекающие в кристаллах процессы при более низких температурах и создает определенное направление перемещением в кристаллах (например, направленное перемещение дислокаций).

Совокупность всех изменений при термоэлектронной обработке (модификация) поликристаллов фиксировалась путем сравнения рентгенограмм исходных образцов с запаянными. Критерием для оценки основных параметров модификации эльбора и АСПК в процессе их пайки служили результаты сравнительного анализа рентгенограмм исходных поликристаллов и паяных с определением среднего процента модификации в поперечном сечении шлифа. Шлифы в дальнейшем перетачивались в резцовые вставки, которые испытывались на стойкость в условиях прерывистого (ударного) резания.

Исследования показали, что ударная прочность поликристаллов увеличивается с увеличением степени модификации до 7% . При степени модификации более 7% у поликристаллов наблюдалось снижение стойкости и повышенный износ при обработке резанием. Степень модификации до 1% ударную прочность увеличивает незначительно. Поэтому промежуток от 1 до 7% среднего изменения степени модификации в поперечном сечении шлифа был принят за оптимальный при определении режимов термоэлектронной обработки поликристаллов.

Влияние нагрева на степень модификации поликристаллов определялось при максимальных, средних и минимальных плотностях электронного облучения. За максимальную плотность облучения была принята величина энергии пучка, при которой появились признаки эрозии с поликристалла. Минимальная плотность энергии определялась при максимальной длительности процесса облучения в условиях предельно низких температур нагрева поликристаллов со средней степенью модификации более 1% .

Предельно низкая температура нагрева была установлена путем облучения поликристаллов эльбора и АСПК пучками электронов максимальной плотности до появления эффекта модификации со средней степенью около 1% . В опытах по определению предельно низких температур в качестве датчиков использовались хромель-алюмелиевые термопары. Отверстия под датчики в эльборе сверлились алмазными сверлами, а в АСПК выполнялись электроэрозионной обработкой. Облучение осуществлялось при фиксированных температурах последовательно: 300, 400, 500, 600, 700, 650^оС - многократным облучением, при этом электронный пучок являлся одновременно источником нагрева поликристаллов. Облучение осуществлялось до тех пор, пока поликристалл не нагревался до исследуемой температуры, после чего пучок отключался для охлаждения поликристалла, а затем процесс облучения возобновлялся. Количество циклов облучения для каждой температуры подбиралось так, чтобы выдержать 3-4 с поликристалл в исследуемом режиме (6-7 циклов). После облучения поликристаллы подвергались рентгеноструктурному анализу.

В результате проделанных опытов эффект модификации был определен при 650±10^оС, где он проявился скачкообразно. Температура 650^оС была зафиксирована в качестве минимальной температуры модификации.

Максимальная температура модификации определялась оптическим пирометром "Проминь" при максимальной плотности облучения и минимальной длительности (2-3 с), необходимой для фиксации прибором температуры нагрева. Изучение рентгенограмм, полученных при максимальных параметрах нагрева и облучения, показало, что нагрев свыше 1400+40^оС в трех случаях из десяти приводит к высокой степени модификации, превышающей 7% , снижению стойкости изготавливаемого инструмента. Поэтому максимальная температура термоэлектронной обработки была принята равной 1400^оС. Исследования по определению максимальной температуры нагрева проводились на поликристаллах АСПК, которые более чувствительны к воздействию высоких температур по сравнению с эльбором.

В предлагаемом способе совмещенного процесса пайки и термоэлектронного упрочнения величина максимальной плотности облучения должна определяться из энергетического промежутка пучков, используемых в промышленном производстве. Этот энергетический промежуток, исходя из практики электронно-лучевой пайки, составляет 0,5-1,0 кВт. При этом использование пучков малых энергий (0,5 кВт) увеличивает длительность процесса пайки до 60-70 с, что весьма отрицательно сказывается на производительности. Использование электронных пучков максимальных энергий (1,0 кВт) сокращает длительность нагрева до 5-10 с, однако с повышением производительности возрастает процент брака по прожогам заготовок.

Максимальная плотность облучения поликристаллов определяется следующим образом.

Рассеянный поток электронов с энергией в 1,0 кВт фокусировался на массивной медной подставке с желобом, в который помещался цилиндрический поликристалл. Перпендикулярно желобу на подставке наносились равномерно риски через 1 мм для фиксации размеров фокального пятна (r_п). Последовательно уменьшая размеры фокального пятна фокусирующей системой, пучок отклоняющей системой направлялся так, чтобы граница фокального пятна постоянно пересекала поликристалл. При появлении признаков эрозии с поликристалла в зоне фокального пятна фокусировку корректировали так, чтобы видимый процесс эрозии прослеживался вплоть до границы фокального пятна. Затем по рискам на подставке фиксировали размер пятна r_п, за пределами которого эрозионные процессы на поликристалле отсутствовали. Таким образом было установлено, что электронный пучок мощностью в 1,0 кВт с размерами фокального пятна r_п = 7 ± 0,5 мм имеет максимально допустимую плотность аберрационного облучения поликристалла рассеянными электронами, где ± 0,5 мм визуальная ошибка при определении размера r_п.

Плотность энергии пучка в 3,8 Вт/мм для процессов пайки поликристаллов следует считать предельной.

Минимальная плотность аберрационного облучения определена из условия максимальной длительности процесса облучения при минимальных температурах нагрева поликристалла (650-700^оС) с учетом достижения средней степени модификации в 4-5% .

При фиксированных значениях температуры нагрева и степени модификации зависимость длительности процесса облучения от плотности аберрационного облучения была исследована экспериментально и после статистической обработки представлена в виде графика на фиг. 1.

Из представленного графика очевидно, что при длительности процесса в 120 с, реально фиксируемой величиной плотности аберрационного облучения является плотность в 01, Вт/мм². Таким образом для степени модификации в пределах 1-7% были определены основные режимы аберрационного облучения поликристаллов непосредственно в процессе электронно-лучевой пайки со следующими границами:
Температура нагрева поликристаллов, ^оС 650-1400
Плотность энергии облучения, Вт/мм² 0,1-3,8
Длительность процесса облучения, с 2-120
На фиг. 2 представлена схема распределения энергии пучка в процессе запаивания эльбора 3 в стальную гильзу 1 припоем 2. Ось электронного пучка с максимальной плотностью тока пучка I_о приблизительно устанавливается в области границы отверстия в стальной гильзе 1. Фокусирующей системой устанавливают размер фокального пятна r_п так, чтобы его граница не попадала на эльбор 3. Энергию пучка I и U_ускподбирают в зависимости от диаметра гильзы 1. Процесс пайки начинается с нагрева гильзы 1, припоя 2 и эльбора 3 при постоянном аберрационном облучении эльбора 3 потоком рассеянных электронов в области Δr. Процесс пайки заканчивают снятием электронного пучка с заготовки после расплавления порошкового припоя 2 и перемещения эльбора в расплавленный припой (в отверстие гильзы 1) под действием расчетного давления Р.

В качестве примера определим основные параметры комбинированного процесса пайки эльбора с модификацией для изготовления резцовых вставок:
1. ⊘ 10х25 мм
2. ⊘ 8х25 мм
П р и м е р 1. По схеме, представленной на фиг. 2, выполнялась пайка эльбора в гильзу ⊘ 10х25 при следующих параметрах электронного пучка: U_уск = 20 кВ, I = 0,035А, r_п = 6 мм, с установкой границы фокального пятна приблизительно в 1 мм от эльбора 3 на гильзе 1. Под аберрационное облучение Δr попадала область эльбора размером в 3 мм.

При указанных выше параметрах плотность тока на оси пучка составляла 0,49 мА/мм².

Максимальная плотность энергии облучения поликристалла при r = 7 мм равна 2,5 Вт/мм².

Минимальная плотность облучения на свободной поверхности поликристалла при r 10 мм 0,61 Вт/мм².

Температура нагрева поликристалла, фиксируемая оптическим пирометром с 800^оС, постоянно увеличивалсь вплоть до 1300^оС, при которой эльбор переместился в расплавленный припой. Промежуток времени нахождения поликристалла под действием возрастающих температур 800-1300^оС и аберрационного облучения составил 12 с. Степень модификации составила 6,0% .

П р и м е р 2. По схеме, представленной на фиг. 2, выполнялась пайка эльбора в гильзу ⊘ 8 х 25 при следующих параметрах электронного пучка: U_уск = 20 кВ, I = 0,020 А, r_п = 6 мм, с установкой границы фокального пятна приблизительно в 1 мм от эльбора 3 на гильзе 1. Под аберрационное облучение Δr попадает область эльбора размером в 2,5 мм.

Плотность тока на оси пучка равна 0,28 мА/мм².

Максимальная плотность энергии облучения поликристалла при r 7 мм равна 1,4 Вт/мм².

Минимальная плотность энергии облучения на свободной поверхности поликристалла при r 9,5 мм составляет 0,4 Вт/мм².

Температура нагрева поликристалла, фиксируемая оптическим пирометром с 800^оС, постоянно увеличивалась вплоть до 1300^оС в течение 6 с. Степень модификации составила 3,5% .

В приведенных примерах образцы после заточки имели высокую стойкость при обработке резанием с ударным нагружением режущей кромки.

Высокая надежность в работе режущего инструмента, оснащенного эльбором-Р и АСПК, изготовленного методом электронно-лучевой пайки на жаропрочных припоях, неоднократно подтверждена в эксплуатации.

Использование: пайка синтетических сверхтвердых материалов, преимущественно синтетических алмазов и кубического нитрида бора, при изготовлении лезвийного режущего инструмента. Сущность изобретения: пайку осуществляют электронным пучком с одновременным аберационным облучением поликристаллов до степени модификации 1 - 7% . При аберационном облучении плотность энергии составляет 0,1-3,8 Вт/мм² при температуре поликристалла 650 - 1400С с длительностью облучения 2 - 120 с. Скорость нагрева до температуры пайки составляет 30 - 100 град/с. 2 ил.

1. СПОСОБ ПАЙКИ СИНТЕТИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ преимущественно поликристаллов из синтетических алмазов и кубического нитрида бора, включающий сборку паяемой конструкции, размещение порошкового припоя и пайку с приложением давления, отличающийся тем, что пайку осуществляют электронным пучком со скоростью нагрева до температуры пайки 30 - 100 град/с и с одновременным аберационным облучением поликристаллов до степени модификации 1 - 7% . 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при аберационном облучении плотность энергии составляет 0,1 - 3,8 вт/мм² при температуре поликристалла 650 - 1400^oC с длительностью облучения 2 - 120 с.