СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПАЯНОГО ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2004 года по МПК B23K1/00 B22D19/06 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности, к области создания неразъемных соединений металлических материалов с помощью пайки, и может быть использовано при изготовлении паяного твердосплавного инструмента для горнопроходческих, горнорудных и других работ, в том числе и для металлообработки.

Известен способ пайки, который может быть использован при изготовлении паяного твердосплавного инструмента (см. Справочник сварщика. - М.: Машиностроение, 1982, с.513-515). При осуществлении данного способа в качестве припоя используют сплавы на основе меди, а в качестве флюса - буру или составы на ее основе. Используемые припои и флюсы хорошо смачивают в расплавленном состоянии, как железоуглеродистые сплавы, так и твердые сплавы, о чем свидетельствует длительная, ставшая традиционной, практика их применения при изготовлении паяных изделий, в том числе и твердосплавного инструмента.

Однако с точки зрения изготовления твердосплавного инструмента данный способ имеет недостатки, которые заключаются в следующем:

1. используемые припои на основе меди обеспечивают лишь адгезионное соединение их с поверхностями твердого сплава и стальной основы инструмента, что снижает прочность паяного соединения, и, следовательно, и качество изготовленного инструмента;

2. используемые припои на основе меди не обеспечивают достаточной жесткости паяного соединения вследствие их низкой прочности и высокой пластичности, что приводит в процессе эксплуатации инструмента к исчерпанию пластичности (наклепу), следствием чего является разрушение или отслоение твердого сплава от стальной основы инструмента; подобное положение снижает эксплуатационную надежность инструмента, изготовленного данным способом.

Известен также способ изготовления паяного твердосплавного инструмента по патенту РФ №2076795, принятому за прототип предлагаемого изобретения. При выполнении данного способа в технологически необходимом месте стальной основы инструмента размещают железоуглеродистый припой, наносят слой флюса (буры), а затем размещают твердый сплав. После этого данную зону нагревают индукционным способом до температуры полного расплавления припоя и охлаждают инструмент на спокойном воздухе.

Недостатком данного способа является нерегулируемость скорости нагрева зоны пайки, что приводит к снижению качества изготовленного инструмента вследствие возможного трещинообразования в твердом сплаве при нагреве. Кроме того, недостатком способа является трудность достижения надежной защиты зоны пайки от окисления в процессе нагрева вследствие высокой жидкотекучести и быстрой разлагаемости флюса (буры), что также приводит к снижению качества изготовленного инструмента.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа изготовления паяного твердосплавного инструмента, обеспечивающего повышение качества инструмента.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе изготовления паяного твердосплавного инструмента в технологически необходимом месте стальной основы инструмента размещают железоуглеродистый припой, наносят слой активного жидкотекучего флюса и размещают твердый сплав. После этого данную зону нагревают до температуры полного расплавления припоя и охлаждают инструмент на спокойном воздухе, причем нагрев зоны производят со скоростью 30...60°С/с при одновременном дополнительном нанесении на зону флюса, обладающего более высокой вязкостью и кислородонепроницаемостью.

Способ выполняется следующим образом. На поверхности стальной основы инструмента в месте, определяемом технологической необходимостью (например, на горизонтальной плоскости выемки), размещается железоуглеродистый припой (например, в виде пластинки), на который наносится слой флюса (например, в виде порошка буры), обладающего высокой активностью и жидкотекучестью при последующем плавлении, после чего размещают в этой зоне твердый сплав (например, в виде пластинки по форме выемки). Затем данную зону нагревают со скоростью 30...60°С/с (например, в индукционном поле определенной частоты) до температуры полного расплавления припоя с последующим охлаждением инструмента на спокойном воздухе. При этом в процессе нагрева зоны пайки на поверхность последней наносится слой флюса, обладающего более высокой вязкостью, а также кислородонепроницаемостью в расплавленном состоянии, что обеспечивает надежную защиту зоны пайки от воздействия окружающей среды.

Из вышеизложенной технологической последовательности выполнения способа следует, что его особенностями являются:

1. осуществление нагрева зоны пайки со скоростью 30...60°С/с;

2. нанесение на зону пайки в процессе ее нагрева флюса иного состава по сравнению с составом флюса, введенного в зону пайки перед нагревом.

Вышеуказанный интервал скоростей нагрева зоны пайки выбран, исходя из учета рекомендаций по разработке и технологической реализации процесса изготовления паяного твердосплавного инструмента (ВНИИ Инструмент, ВНИИ Маш и др.). Данные рекомендации выработаны в условиях традиционно сложившейся практики применения при изготовлении паяного твердпосплавного инструмента индукционного нагрева и различных припоев на основе меди. Однако данный тип припоев не обеспечивал (как и не обеспечивает) должной жесткости соединения твердого сплава со стальной основой инструмента, что привело к необходимости увеличения размеров твердого сплава (например, к увеличению толщины твердосплавных пластинок без изменения их формы) и, как следствие, к типоразмерной стандартизации многих марок твердого сплава, применяемого для оснащения инструмента с целью учета конкретных условий эксплуатации последнего (речь идет о распространенных группах твердого сплава на кобальтовой связующей).

Подобное положение, в свою очередь, в еще большей степени повысило важность учета температурно-временных условий пайки, ибо специфичность индукционного нагрева проявляется не только на макроразмерном уровне нагреваемого материала, но и на уровне микроразмерном (следует заметить, что твердый сплав является лишь квазимонолитным материалом).

Анализ упомянутых выше рекомендаций в виде интервалов допустимых скоростей нагрева для одной или нескольких близких по составу марок твердых сплавов при охвате всех распространенных групп твердого сплава на кобальтовой связующей позволил выявить “коридор” скоростей нагрева зоны пайки инструмента, удовлетворяющий всем случаям и укладывающийся в упомянутый интервал. Учитывая, что жесткость зоны соединения твердого сплава со стальной основой инструмента при использовании железоуглеродистых припоев вполне соизмерима с жесткостью самой основы, выявленный температурный интервал предполагает нивелирование типоразмерной стандартизации твердого сплава в направлении минимизации влияния макроразмерного фактора, который проявляется при индукционном нагреве зоны пайки саморастрескиванием твердого сплава от внутренних температурных макронапряжений. Данное явление может происходить еще до расплавления припоя, что наблюдалось в виде приподошвенных трещин в твердом сплаве, заполненных вплоть до устья железоуглеродитым припоем. При осуществлении пайки инструмента в иных температурно-временных условиях макроразмерный фактор может и не проявляться, однако при этом будут иметь место необоснованный перерасход материала, используемого для изготовления твердого сплав, а также потери массы твердого сплава при перезаточках инструмента как и материально-временные потери при их осуществлении.

Вышеописанное относится к верхней границе интервала скоростей нагрева твердого сплава (60°С/с) при проведении пайки инструмента и в первую очередь при использовании твердого сплава с однокомпонентной карбидной фазой. Нижняя же граница скорости нагрева твердого сплава (30°С/с) при безусловном учете макроразмерного фактора предполагает использование твердого сплава с разнокомпонентной карбидной фазой, для которой микроразмерный фактор, являясь неизбежным, имеет решающее значение в силу неоднородности микронапряжений, возникающих в процессе пайки инструмента.

Вышеотмеченная ранее другая особенность предложенного способа, выражающаяся в определенной технологической последовательности офлюсования зоны пайки инструмента, вытекает из необходимости учета следующих обстоятельств:

а) введение в зону пайки перед ее нагревом флюса, обладающего высокой активностью и жидкотекучестью в расплавленном состоянии (например, порошка буры), предполагает очистку контактирующих поверхностей твердого сплава, припоя и стальной основы инструмента, а также сохранение этих поверхностей в активном (ювенильном) состоянии до момента вытеснения расплава флюса расплавом припоя; это обеспечивает получение качественного и надежного соединения твердого сплава с основой инструмента благодаря способности припоя не только смачивать, но и диффузионно взаимодействовать с поверхностями соединяемых материалов;

б) нанесение на зону пайки в процессе ее нагрева флюса иного состава, сочетающего в себе достаточную активность при более высокой вязкости, предполагает защиту всей зоны пайки и в первую очередь твердого сплава от взаимодействия с окружающей средой путем обволакивания зоны пайки (образования “шубы”) за счет более высокой вязкости; при этом данный флюс должен иметь более высокую устойчивость против разложения при нагреве, быть кислородонепроницаемым и не выделять кислородосодержащих газов при неизбежном частичном разложении в процессе осуществления пайки.

Рассмотренная особенность офлюсования паяной зоны инструмента позволяет обеспечить защиту не только твердого сплава, но и припоя, склонного к газопоглащению и отбеливанию при контакте с окружающей средой.

Таким образом, из рассмотрения общей технологической последовательности выполнения предлагаемого способа изготовления паяного твердосплавного инструмента следует, что способ обеспечивает получение инструмента более высокого качества.

Кроме того, при учете сложившейся практики производства паяного твердосплавного инструмента способ позволяет также повысить эксплуатационную надежность инструмента благодаря способности железоуглеродистых припоев в сравнении с традиционно применяющимися припоями на основе меди не только смачивать, но и диффузионно взаимодействовать с соединяемыми материалами. Если же при этом учесть меньшую стоимость железоуглеродистых припоев, а также возможность уменьшения расхода материалов на изготовление твердого сплава и необратимых потерь последнего при эксплуатации инструмента, предлагаемый способ является более экономически эффективным.

Изобретение может быть использовано при изготовлении инструмента для горнодобывающей и металлообрабатывающей отраслей промышленности. После размещения железоуглеродистого припоя в технологически необходимом месте стальной основы инструмента на него наносят слой активного жидкотекучего флюса и размещают твердый сплав. Затем данную зону нагревают до температуры полного расплавления припоя и охлаждают инструмент на спокойном воздухе. Нагрев зоны ведут со скоростью 30...60°С/с при одновременном дополнительном нанесении на зону флюса, обладающего большей вязкостью и кислородонепроницаемостью. Особенность офлюсовывания паяной зоны инструмента позволяет обеспечить защиту и твердого сплава, и припоя, склонного к газопоглощению и отбеливанию при контакте с окружающей средой. Способ обеспечивает получение инструмента высокого качества.

Способ изготовления паяного твердосплавного инструмента, заключающийся в том, что в технологически необходимом месте стальной основы инструмента размещают железоуглеродистый припой, наносят слой активного жидкотекучего флюса и размещают твердый сплав, после чего данную зону нагревают до температуры полного расплавления припоя и охлаждают инструмент на спокойном воздухе, отличающийся тем, что нагрев зоны ведут со скоростью 30...60°С/с при одновременном дополнительном нанесении на зону флюса, обладающего большей вязкостью и кислородонепроницаемостью.