ФЛЮС ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ПРИПОЯМИ НА ОСНОВЕ МЕДИ Российский патент 2009 года по МПК B23K35/363 

Изобретение относится к пайке, в частности к составу флюсов для получения композиционного припоя, в виде готового прутка.

Оно может быть использовано для высокотемпературной пайки припоя - сплавом на основе меди к твердосплавным элементам. Полученный композиционный материал может быть применен в нефтяной и горнобуровой технике для получения газопламенной пайкой абразивного покрытия на рабочей части поверхности режущего инструмента типа фрезы, фрезера, райбера и т.д., а также в почвообрабатывающей технике.

Известны флюсы для пайки твердосплавных элементов [Л.Я.Попилов. Справочное пособие. Советы заводскому технологу. Л., 1975 г., с.124-125], содержащие: Н₃ВО₃ - 80-78%; Na₂B₄О₇ - 14-12%; CaF₂ - 5,5-10% (п.п.№4 и 7 соответственно). Пайка производится при рабочей температуре 800-1200°С. Флюсы используют для пайки медью, медно-цинковыми припоями и медно-никелевыми припоями. Флюсы имеют ограничение в применении - качественная пайка возможна в защитной атмосфере, обеспечиваемой извне (аргон, эндогаз и т.д.) и коррозионно-стойких материалов (нержавеющая сталь, жаропрочная сталь, конструкционная сталь). При пайке на воздухе печным или газопламенным способами припоями на основе меди-латуни типа МНЦ-15-20 или сплавов на основе меди с температурой плавления 930°С и более 1000°С на твердосплавные элементы наблюдается окисление поверхности твердосплавных элементов, особенно в режиме медленного нагрева, длительной выдержки при плавлении и охлаждении после пайки соединительных компонентов. Быстрый нагрев и охлаждение соединений не дают положительных результатов, т.к. флюсы высоковязки и агрессивны для компонентов, проявляя себя больше как травители с образованием продуктов травления и, следовательно, рыхлого разделительного слоя между припоем и поверхностью твердосплавных элементов. Таким образом известны флюсы не способствуют получению беспористого прочного соединения. Термовременной режим проведения пайки на воздухе ведет к появлению рыхлых прослоек химических соединений на границе раздела твердосплавный элемент - припой, а сам твердосплавный элемент имеет более низкие физико-механические свойства, чем в исходном состоянии.

Известен флюс для пайки твердых сплавов с припоем АНМц 06-4-2 (с.125, Л.Я.Попилов. Советы заводскому технологу, п.6). Флюс содержит: Na₂В₄O₇+KBF₆ - 83%; WO₂ - 3,5%; CoO - 15%).

Флюс активен при температуре 1000-1100°С для пайки к стали твердосплавных элементов Т15К6, Т30К4. Но для увеличения жидкотекучести припоя используют KBF₆ и дополнительно в значительном количестве дорогостоящий материал (кобальт), используют и вольфрам. KBF₆ при нагреве до 750°С распадается с образованием ядовитого газообразного фтористого бора (BF₃), а образующиеся стекловидные шлаки имеют прочное соединение с паяемыми компонентами и после пайки способствуют коррозии паяных соединений (С.В.Лашко. Пайка металлов. М.: Машиностроение, 1988 г., 4-е из-ние, с.159).

В качестве прототипа заявляемому изобретению выбран флюс (пат. РФ №2262430, МКИ В23К 35/363, 23.07.04 г.) для высокотемпературной пайки твердосплавного элемента припоем, содержащий буру, борную кислоту и фторсодержащим компонент, где в качестве фторсодержащего компонента он содержит фтористый аммоний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фтористый аммоний5-12Борная кислота30-35Бураостальное

Флюс имеет ограничение в применении: он используется для пайки готового припоя в виде прутка, представляющего собой композицию твердосплавных элементов с припоем на основе сплава меди с температурой плавления припоя до 1000°С. Эффект упрочнения подложки, получение абразивного покрытия на рабочей поверхности стали, обладающего более высокой износостойкостью, по сравнению с известными достигается за счет высокой активности флюса и большой скорости пайки газопламенным способом на воздухе. Использование же флюса для получения готового композиционного припоя в виде прутка неприемлемо из-за значительно более длительного воздействия температуры и проявления травящего действия флюса на твердосплавный элемент с образованием рыхлой прослойки химических соединений на поверхности твердосплавных элементов. Припой при длительном печном изготовлении композиции недостаточно прочно закреплен на твердосплавном элементе, несмотря на повышенную жидкотекучесть. При дальнейшем использовании в качестве абразивного покрытия на рабочей поверхности режущего инструмента расслоенность на границе раздела сохраняется. Это ведет к ухудшению работы абразива и вышелушиванию твердосплавного элемента из припоя-связки в покрытии. Использование известного флюса и для изготовления и готового прутка, и для напайки прутка на рабочую поверхность режущего инструмента может иметь непредсказуемые результаты, т.к. флюс всякий раз изменяет составы припоя-связки и твердосплавного элемента, что в конце концов может ухудшить свойства компонентов и их функциональные возможности в целом.

Задачей изобретения является разработка состава флюса с универсальными свойствами, позволяющего получать качественные готовые прутки, представляющие собой композицию твердосплавных элементов с припоем-связкой из сплавов на основе меди, имеющих температуру плавления ниже или выше 1000°С, повысить износостойкость абразивного покрытия из этих прутков на рабочей поверхности режущего инструмента за счет взаимозаменяемости и оптимизации соотношения компонентов состава.

Технический результат изобретения достигается тем, что флюс для высокотемпературной пайки твердосплавных элементов припоями на основе меди, включающий буру, борную кислоту и активизирующее вещество - фтористый аммоний, отличающийся тем, что в качестве основы состава используют борную кислоту и он дополнительно в качестве активизирующего вещества содержит карбамид при следующем соотношении компонентов, мас.%:

NH₄F (фтористый аммоний)0-4CO(NH₂)₂ (карбамид)0-4Na₂B₄O₇10Н₂О (бура)0-9,6Н₃ВО₃ (борная кислота)остальное

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что предлагаемое изобретение отличается новым соотношением компонентов, наличием карбамида, впервые используемого в качестве активного компонента в составе высокотемпературного флюса. Проблема в том, что твердосплавные элементы типа ВК даже в защитной среде при температуре выше 1000°С изменяют свойства в сторону ухудшения их режущих способностей, уменьшения износостойкости.

Основной задачей при этом является сохранение исходного состояния твердосплавных элементов или его улучшение как в процессе изготовления композиционного прутка для пайки его на рабочую поверхность режущего инструмента, так и после пайки этого прутка в виде абразивного покрытия. При использовании флюса, известного (пат. РФ №2262430 - прототип) при пайке твердосплавных элементов типа ВК-припоями, температура плавления которых выше 1000°С печным способом в воздушной среде, происходит ухудшение взаимосвязи соединяемых компонентов - припоя на основе меди и твердосплавных элементов. После длительного подбора компонентов флюса и их соотношений в составе обнаружено, что вопреки логики, снижение активности его за счет одновременного уменьшения количества буры и аммония фтористого позволило получить изделие - пруток, в котором 95-96% твердосплавных элементов на своей поверхности не имели рыхлой прослойки, а 4-5% - тончайшую прослойку. Таким составом оказался флюс, содержащий борную кислоту в качестве основы, а буру - при оптимальном соотношении с борной кислотой как 1:9 соответственно. Аммоний фтористый соответствовал оптимальному количеству - 4%. Т.е. изделие имело хорошее качество (минимальное количество пор в припое-связке, не окисленную поверхность твердосплавных частиц и удовлетворительную адгезионную связь компонентов) при содержании фтористого аммония - 4%, буры - 9,6%, остальное - борная кислота. Но при случайном введении дополнительно карбамида в состав предлагаемого флюса показал, что он позволил значительно улучшить состояние изделия - композиционного твердосплавного прутка, что привело к расширению возможности использования флюса: присутствие карбамида в пределах 2-4% в составе флюса позволяет без ущерба качества изделия реализовать различные варианты наличия компонентов буры, фтористого аммония, борной кислоты и карбамида или даже исключить буру для пайки при использовании припоя с температурой плавления выше 1000°С. Явление неожиданное, т.к. карбамид (Т_пл=133°С) никогда не использовали ранее в качестве флюса или его составляющей при высокотемпературной пайке. Известно, что карбамид (1-2%) в качестве одного из компонентов флюса при низкотемпературной пайке алюминиевой бронзы использовали (Т_пайки=280-300°С) совместно с водой, спиртом и т.д. (Л.Я.Попилов. Советы заводскому технологу. Справочное пособие. 1975 г., с.122. Состав №26). В предлагаемом же составе флюса карбамид играет активную роль, увеличивая жидкотекучесть припоя, температурно-временной диапазон активности фтористого аммония в заявленных пределах, твердость твердосплавных элементов и адгезионную прочность соединяемых разнородных компонентов, а также может быть заменителем фтористого аммония. Взаимозаменяемость компонентов, даже в случае отсутствия буры, повышение или сохранение высокой активности флюса, реализуемые за счет увеличения в заявленных пределах количества карбамида с фтористым аммонием и борной кислоты - существенные отличия предлагаемого состава флюса от прототипа и других известных составов того же назначения (а.с. №1152751; а.с. №164195; а.с. №101210; а.с. №1100066; С.В.Лашко и др. Пайка металлов. М.: Машиностроение, 1988 г., с.157-158) для высотемпературной пайки припоями на основе меди на твердосплавные элементы и новизна его. Промышленная применимость изобретения и изобретательский уровень проверены на всех уровнях отработки вариантов сочетания в пределах заявленного процентного соотношения компонентов при изготовлении готовых прутков, а затем и при использовании абразивного покрытия на режущем инструменте фрезы типа ФО. Испытания прошли успешно и дали отличные результаты. Предлагается внедрение в ООО «БИТТЕХНИКА» и в других организациях, связанных с изготовлением готовых композиционных твердосплавных прутков, а также в организациях, изготовляющих режущий инструмент путем нанесения абразивного покрытия из готовых прутков пайкой газопламенным способом.

Для экспериментальной проверки заявляемого (табл.1, п.4) состава флюса (табл.2 п.п.2-9) подготовлены всего смесей компонентов, 8 из которых п.п.2-9 показали высокие результаты по сравнению с прототипом (п.1 табл.2) и за границей заявляемого предела (п.п.10-12).

В качестве борной кислоты использовали кислоту в виде порошка, ч.д.а. (ТУ 6-09-17-263-89). Буру брали в виде Na₂B₄O₇10H₂O, ч.д.а. (ГОСТ 8429-77), аммоний фтористый брали ч.д.а. - NH₄F (ГОСТ 4518-75), карбамид - CO(NH₂)₂ брали ч.д.а. (ГОСТ 6691-77). Флюс в виде смеси получали простым смешиванием компонентов. В форму помещали твердосплавные дробленые частицы размером 5-7 мм без предварительной обработки их поверхностей. На твердосплавные дробленые частицы укладываем припой, представляющий собой или сплав на основе меди с температурой плавления 930°С (Cu - основа, Zn - 32%, Ni - 12%), или - с температурой плавления 1093°С (Cu - основа, Zn - 20%, Ni - 20%). В качестве твердосплавных дробленых частиц использовали ВК8. В качестве припоя, наплавляемого на поверхность ВК8 и служащего связкой для него после изготовления изделия в виде композиционного твердосплавного прутка, использовали готовый припой в виде проволоки ⊘2 мм. Приготовленным заранее флюсом покрывали смесь содержимого (70% твердосплавных частиц и 30% - припоя) и в печи, в воздушной среде, в режиме быстрого нагрева и охлаждения формы получали готовые изделия в виде прутка, который в дальнейшем использовали в качестве абразивного покрытия на рабочей поверхности режущего инструмента (например, фрез, фрезеров, райберов) путем пайки газопламенным способом.

В табл.1 даны составы смесей флюсов в заявленных пределах, прототип.

В табл.2 даны сравнительные данные жидкотекучести припоя в процессе изготовления готового прутка износостойкость инструмента ФО и контртела (сталь 40) как результат повышения качества режущего инструмента в присутствии заявленного флюса, сплошность соединения твердосплавных частиц с припоем, имеющим температуру плавления 930°С и 1093°С.

На чертеже представлена диаграмма распределения компонентов в твердосплавной частице, на границе соединения, в припое.

Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый состав флюса обладает универсальными свойствами за счет оптимального соотношения компонентов - буры и борной кислоты (1:9) и дополнительного содержания активизирующей добавки - карбамида, который способен активизировать дополнительно и фтористый аммоний (п.п.2, 3, 6, 7, 8, 9), а может и самостоятельно быть активным в сочетании с бурой и борной кислотой (п.4) в заявленных пределах в отсутствии фтористого аммония. А возможен вариант сочетания карбамида с борной кислотой (п.5) без ухудшения свойств получаемого изделия в присутствии заявляемого флюса. Флюс за пределами предлагаемого состава (п.п.10-12, табл.2) показал ухудшение качества паяемого соединения и свойств твердосплавных элементов. Впервые использован в качестве активнейшей добавки при высокотемпературной пайке в составе флюса карбамид, он же мочевина. Благодаря карбамиду твердосплавные элементы в процессе пайки на воздухе печным способом, равно как и газопламенным способом, очищаются от окислов и других загрязнений. Флюс в присутствии карбамида придает компонентам соединения повышенный блеск, т.е. оказывает полирующее действие. Этот эффект проявляется во всех сочетаниях компонентов заявленного состава и на протяжении всего интервала флюсования (п.5 изменений свойств, табл.2) и времени контакта при высокой (1400-1200°С) температуре с соединяемыми компонентами до 30-40 мин, что недопустимо для прототипа.

По сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями предлагаемое изобретение имеет преимущества. Флюс универсален, он позволяет получить готовые прутки для напайки на рабочую поверхность режущего инструмента абразивного покрытия высокого качества. Флюс позволяет расширить диапазон температурно-временной активности его в процессе изготовления печным способом композиционных прутков. Флюс позволяет повысить износостойкость покрытия на режущей поверхности инструмента при работе фрезерного инструмента при прорезании окна в обсадной колонне или зарезке боковых свойств в буровой скважине. Он прост в применении, не токсичен. Позволяет увеличить количество проходов в скважине режущего инструмента в 2-3 раза.

Источники информации

1. Л.Я.Попилов. Советы заводскому технологу. Справочное пособие. Л. 1975 г., с.124, п.4 и 7 (аналог).

2. Л.Я.Попилов. Советы заводскому технологу. Справочное пособие. Л. 1975 г., с.125, п.6 (аналог).

3. С.В.Лашко и др. Пайка металлов. М.: Машиностроение, 1988 г., 4-е издание, с.159 (аналог).

4. Патент РФ №2262430, МКИ В23К 35/363, 23.07.04 г. (прототип).

5. Л.Я.Попилов. Советы заводскому технологу. 1975 г., с.122, п.26 (аналог).

6. А.с. №1152751, МПК В23К 35/363, 23.06.83 г.

7. А.с. №164195, МПК В23К 35/36, 09.07.62 г.

8. А.с. №104210, МПК В23К 35/36, 15.02.56 г.

9. А.с. №1100066, МПК В23К 35/36 г., 04.03.83 г.

10. С.В.Лашко, Н.Ф.Лашко. Пайка металлов. М.: Машиностроение. 1988 г., с. 157-158.

Изобретение может быть использовано при получении композиционного припоя в виде готового прутка для высокотемпературной пайки сплавами на основе меди при нанесении абразивного покрытия на поверхность твердосплавных элементов, в частности при изготовлении режущих инструментов, применяемых в нефтяной, горнобуровой и почвообрабатывающей технике. Флюс включает в качестве основы борную кислоту и дополнительно содержит два или три компонента из группы фтористый аммоний, карбамид, бура, при следующем соотношении компонентов, мас.%: два или три компонента из группы NH₄F (фтористый аммоний) - до 4, CO(NH₂)₂ (карбамид) - до 4, Na₂B₄O₇10H₂O (бура) - до 9,6; Н₃ВО₃ (борная кислота) - остальное. Оптимизация соотношения компонентов флюса и их взаимозаменяемость в условиях производства обеспечивает получение готовых прутков высокого качества, расширение диапазона температурно-временной активности флюса, повышение износостойкости покрытия. 1 ил., 2 табл.

Флюс для высокотемпературной пайки твердых сплавов припоями на основе меди, включающий в качестве основы борную кислоту, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два или три компонента из группы фтористый аммоний, карбамид, бура при следующем соотношении компонентов, мас.%: два или три компонента из группы NH₄F (фтористый аммоний) до 4, CO(NH₂)₂ (карбамид) до 4, Na₂B₄O₇10H₂O (бура) до 9,6, Н₃ВО₃ (борная кислота) остальное.