ПРИПОЙ ДЛЯ ПАЙКИ ИНСТРУМЕНТА Российский патент 1997 года по МПК B23K35/30 

Изобретение относится к области пайки, в частности к составу припоя для пайки, и может быть использовано при изготовлении твердосплавного инструмента в металлообрабатывающей и горнодобывающей отраслях промышленности.

Известен припой, который может быть использован для пайки твердосплавного инструмента, содержащий, мас.

Углерод 3,5-4,0
Марганец 0,5-0,8
Магний 0,02-0,8
Ванадий 0,02-0,6
Титан 0,01-0,12
Кремний 3,5-4,0
Никель 0,5-1,2
Кальций 0,02-0,8
Фосфор 0,4-0,6
Натрий 0,02-0,8
Железо Остальное (1)
Недостатком данного припоя является то, что в малых объемах расплава, характерных для паяных швов, его применение не обеспечивает получение перлитно-графитно-цементитной структуры, необходимой для получения высокого уровня механических свойств шва и релаксации напряжений, возникающий в шве при кристаллизации расплава. Это приводит к образованию трещин в твердом сплаве и снижению качестве твердосплавного инструмента.

Известен припой для пайки инструмента, содержащий следующие компоненты, мас.

Медь 6,0-25,0
Бор 0,1-1,0
Углерод 0,2-1,3
Титан 0,1-6,0
Кремний 0,5-1,5
Хром 1,5-2,5
Марганец 0,2-0,6
Фосфор 0,1-2,0 (2)
Элемент, выбранный из группы олова 1,5-15
Недостатком данного припоя также является невозможность получения требуемой перлитно-графитно-цементитной структуры паяного шва.

Это удлиняет и удорожает процесс изготовления твердосплавного инструмента и делает его нетехнологичным, особенно в условиях массового производства.

Цель изобретения повышение механических свойств паяного соединения за счет получения перлитно-графитно-цементитной структуры шва при пайке твердосплавного инструмента.

Поставленная цель достигается тем, что припой для изготовления твердосплавного инструмента содержит железо, углерод, кремний, марганец и медь при следующем соотношении, мас.

Углерод 3,5-4,5
Кремний 2,5-5,0
Марганец 0,2-0,6
Медь 4,0-10,0
Железо Остальное
Медь, содержащаяся в припое, выполняет роль графитизиpующего элемента наряду с кремнием, всегда присутствующим в сплавах железа с углеродом и выполняющим роль основного графитизатора.

Как известно, процесс графитизации в железоуглеродистых сплавах протекает в два этапа при первичной кристаллизации (в области предплавильных температур) и при вторичной кристаллизации (в области температур аустенитно-перлитного превращения).

При этом на втором этапе важное значение приобретает фактор времени, требующий замедленного охлаждения сплава на данном этапе или температурной выдержки.

Однако графитизация в железоуглеродистых сплавах является весьма сложным и до настоящего времени недостаточно полно изученным процессом.

Поведение элементов, присутствующих в этих сплавах, неоднозначно по их влиянию на данный процесс, так как зависит от множества факторов (температуры, времени, количествах элементах, наличия других элементов и их количества элемента, наличия других элементов и их количества и т.д.).

Исследования, проведенные авторами, показали, что процесс графитизации в предлагаемом припое может быть осуществлен в достаточной степени уже на первом этапе за счет совместного воздействия кремния и меди.

Эффект графитизации припоя, достигнутый на первом этапе, обеспечивает эффективную релаксацию структурно-фазовых и термических напряжений, неизбежно возникающих в паяном соединении при его охлаждении. Это позволяет отказаться от регламентированного охлаждения инструмента после пайки на втором этапе и осуществить охлаждение естественным путем, что однако не препятствует формированию благоприятной структуры паяного шва за счет влияния меди. На втором этапе медь затормаживает процесс графитизации и способствует выделению из аустенита углерода в виде мелких карбидов и силикокарбидов железа, т. е. перлитизирует металлическую основу припоя, измельчая перлитные выделения.

Описанный процесс формирования структуры железоуглеродистых сплавов, кристаллизующихся в естественных условиях, по мнению авторов, характерен лишь для малых объемов расплава, так как не поддается удовлетворительному объяснению с точки зрения современных теорий графитизации, рассматривающих кристаллизацию больших объемов (слитков и отливок).

Таким образом, применение предлагаемого припоя позволяет повысить технологичность процесса пайки твердосплавного инструмента за счет упрощения пайки, обеспечивая при этом достаточную степень графитизации паяного шва и получение мелкодисперсной перлитно-графитно-цементитной его основы, придающей шву высокие механические свойства.

Для выбора химического состава припоя проводились микроструктурные исследования паяных швов, получавшихся при использовании припоя разных плавок. Исследования проводились как на образцах, так и непосредственно на инструментах при различных условиях охлаждения их после пайки.

Предварительными исследованиями установлено, что наиболее неблагоприятным для структуры паяного шва является наличие в ней слоистого ледебурита или замкнутой сетки грубых цементитных выделений, несмотря на наличие достаточного количества графитных включений. При такой структуре шва в твердом сплаве, как правило, образовалась заметные плавно изогнутые трещины, расположенные на значительном удалении от его подошвы (от 1 до 3 мм).

Подобная структура в спаях образовывалась при малых количествах меди в припое и особенно при ее отсутствии. Наличие в припое меди проводило к изменению характера трещинообразования в твердом сплаве трещины образовывались в его приподошвенной зоне, выглядели тонкими, ветвящимися, части проходящими по зоне припоя. При содержании меди 4.10% трещины как в твердом сплаве, так и в припое не обнаруживались.

Структура представляла собой отдельные разpозненные тонкие цементитные выделения при большом количестве мелких слегка вытянутых графитных выделений в измельченной перлитно-графитной основе припоя. В неторых случаях обнаруживались отдельные медистые включения, представляющие собой, по-видимому, железокремнистый твердый раствор меди переменного состава.

При дальнейшем увеличении меди в припое характер структуры паяного шва не изменялся, а при содержании меди более 10% наблюдалось отторжение избытка меди на поверхности отливки припоя или на боковых поверхностях паяного шва.

Пределы содержания углерода и кремния выбраны с учетом влияния кремния на положение эвтектической точки железоуглеродистых сплавов, выражающегося формулой:

Выбранное соотношение углерода и кремния должно обеспечить слабозаэвтектический состав припоя для его достаточной жидкотекучести, образования в спае некоторого количества первичного цементита и надежности контроля конца расплавления.

Наличие марганца в припое объясняется условиями плавки, а именно использованием шихты, содержащей стальные заготовки.

Припой получали в результате переплава стали с добавлением углерода, кремния и меди в соответствующих количествах для обеспечения требуемого химического состава. Особенностью предлагаемого припоя является то, что медь может быть введена в его состав как при выплавке, так и дополнительно в процессе пайки в виде порошка, фольги или покрытий, наносимых на поверхности в зоне пайки, в состав которых входит медь.

Для получения припоя применялись высокочастотная плавильно-закалочная установка ЛПЗ-63-2М с емкостью тигеля 50 кг. В качестве шихты использовалась качественная углеродистая сталь (марка У 8), молотый графит (электродный бой), ферросилиций (марка ФС 45) и медь (марка N 1).

Количество составляющих шихты рассчитывалось для получения требуемого соотношения в припое углерода, кремния и меди (с учетом выгорания и усвоения расплавом). Разливка выплавленного припоя производилась в графитовые стаканы с внутренним диаметром 160 мм, толщиной стенки 20 мм и высотой 250 мм, установленные в металлические ящики с песком.

Припой при пайке использовался в виде пластинок толщиной 1,0.1,5 мм, получаемых либо вырезкой из тела отливок (цельные пластинки), либо из стружки с добавками (прессованные пластинки).

Конкретно предлагаемый припой использовался в виде цельной или прессованной пластинки при напайке пластинок из твердого сплава Т 15К6 на державку резца из стали У7. При напайке укладывали на подготовленную державку пластинку припоя, наносили слой флюса (буры) в виде порошка и укладывали пластинку твердого сплава. Собранный таким образом инструмент нагревали в индукторе до температуры в зоне пайки 1160.1180^oC, после полного расплавления припоя проводили охлаждение на спокойном воздухе.

Применение предлагаемого припоя позволяет повысить технологичность процесса пайки твердосплавного инструмента как в сравнении с использованием припоя по прототипу, так и с использованием традиционно применяемых припоев на основе меди, латуней и бронз. Вместе с тем предлагаемый припой, как и припой по прототипу, обеспечивая более высокий уровень механических свойств паяного соединения по сравнению с припоями на основе меди, позволяет сократить расход твердого сплава в 1,5.2,0 раза как за счет уменьшения толщины напаиваемых твердосплавных пластин, так и за счет одновременного увеличения в 2.3 раза эксплуатационной надежности паяного твердосплавного инструмента, особенно при его работе в тяжелых условиях.

Использование: изготовление твердосплавного инструмента в металлообрабатывающей и горнодобывающей отраслях промышленности. Сущность изобретения: припой содержит углерод, кремний, марганец, медь, железо в следующих соотношениях, мас. %: углерод 3,5...4,5, кремний 2,5...5,0, марганец 0,2...0,6, медь 4,0...10,0, железо - остальное.

Припой для пайки инструмента, содержащий углерод, кремний и марганец, медь, железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Углерод 3,5 4,5
Кремний 2,5 5,0
Марганец 0,2 0,6
Медь 4,0 10,0
Железо Остальноет