автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка бессеребряных припоев для пайки режущего инструмента с элементами из сверхтвердых материалов

I 5 [Министерство образования Украины

Приазовский государственный технический университет

На правах рукописи

НГУЕН ВАН СЪЕМ

РАЗРАБОТКА БЕССЕРЕБРЯНЫХ ПРИПОЕВ ДЛЯ ПАЙКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.03.06. Технология и оборудование для сварки и родственных процессов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мариуполь -1996

Работа выполнена в Приазовском государственном техническом университете, в межкафедральной научно-исследовательской лаборатории "Новых металлургических процессов"

Научный руководитель.

Научным консультант:

Официальные оппоненты.

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Харлашин П. С.

доктор технических наук, профессор Чигарев В. В.

доктор технических наук, профессор Гулаков СВ.

кандидат технических наук, доцент Серебряник И. П. концерн "Азовмаш"

0°

часов на засе-

Защита состоится ■■¿.О - чсги/орх 1996 года в дании специализированного совета К 14.01.02 при Приазовском государственном техническом университете по адресу. 341000, г Мариуполь. Донецкой области, пер Республики, ?.

С диссертацией можно ознакомился в библиотеке Приазовского государственного технического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

специализированного совета докт.техн.наук, проф.

1995 года, ¿у В. Я. Зусин

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Высоко эффекта вше быстрорежущие инструменты, оснащенные элементами из сверхтвердых- материалов СТМ) на основе синтетического алмаза и кубического бора,находят широкое применение для качественной и точной обработки поверхности деталей различного назначения. В зависимости, от наз-шчения этих инструментов, методы их получения различны. Пайка шляется наилучшим методом получения неразъемного соединения, >днако, пайка ИМ к стальным корпусам инструментов является процессом, сложность которого заключается, в том, что паяемые мате-шалы имеют большое различие в коэффициенте термического линей-юго расширения (КИ1Р): их нельзя нагревать свыше 750 °С ш избежание графитизации СТМ и разрушения закалочной структуры статного корпусаПрипои, применяемые в процессе пайки, .должны :мачивать паяемые материалы и растекаться по их поверхности, а ивы - обладать высокой прочностью во избежание разрушения под хейстшем высокой нагрузки и пластичностью для релаксации внутреннего напряжения после затвердевания припоев. Все. эти. необходимые требования, к. припоям создают значительные трудности в производстве быстрорежущих инструментов.

.В настоящее время проблемы получения быстрорежущих инструментов решаются методом пайки с применением припоев, содержащих серебро и кадмий. Однако этот метод дорог из-за высокой стоимости серебра и экологически нечист из-за присутствия канцерогенного кадмия. Его широкому применению препятствует также острая дефицитность серебра. Поэтому весьма перспективным является метод пайки с использованием многокомпонентных припоев, не содержащих указанных компонентов. Исследованию таких составов припоев и разработке метода пайки при получении качественных быстрорежущих инструментов посвящена данная работа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью.работы являются .разработка и исследование низкоплавких бессеребряных составов для пайки элементов из сверхтвердых материалов при изготовлении режущих инструментов.

В связи с этим решались следующие задачи:

1. Анализ технологических особенностей существующих методов пайки СТМ и их физико-химического .взаимодействия с многокомпонентными металлическими системами.

2. Разработка составов бессеребряных припоев с температурой плавления до 750 °С.

3. Методика определения поверхностных свойств и плотности металлических расплавов.

4. Исследование поверхностных свойств разработанных систем припоев. Анализ влияния промежуточного слоя (металлизации) при пайке СТМ.

5. Исследование качества паяного шва при пайке СТМ разработанными припоями с применением различных флюсов.

6. Апробация технологии пайки разработанными припоями на опытных партиях заготовок режущих инструментов.

ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРАКТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ, НАУЧНАЯ НОШЗНА. На основе анализа физико-химического взаимодейстшя СТМ с металлическими расплавами, физико-химических .и механических характеристик серебросодержащих припоев,. применяющихся для пайки СТМ,. металлохимических свойств элементов периодической системы и металлических систем теоретически обоснованы и экспериментально определены оптимальные .составы бессеребряных припоев.

Разработана методика определения относительной погрешности. вычисления поверхностного, натяжения методом С.И. Попеля, Ю.П. Никитина и др. Дана оценка относительной погрешности оп-

ределения поверхностного натяжения жидкости, методом лежащей капли, вызванной эллипсоидностью. капли в плане. Предложен метод построения эмпирических формул.для определения поверхностного натяжения по форме поверхности раздела жидкости -газ, по которому с помощью математического, описания формы капли по ее размерам на фотоснимках можно определить непосредственно объем капли и поверхностное натяжение. Разработаны составы бессеребряных припоев для пайки AHI со стальной державкой из сталей марки Ст.40Х и Ст.45. Разработана технология процесса пайки AHI этими припоями с применением различных флюсов и методов нагрева паяемых материалов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Установлены физико-химические закономерности взаимодействия разработанных припоев на основе меди с элементами, содержащимися в составе AHI. Разработана технология пайки AHI бессеребряными припоями с применением, различных флюсов на основе буры и с применением металлизации поверхностей AHI активными металлами. Изготовлена и испытана опытная партия режущего инструмента,использование которого показало перспективность применения бессеребряных припоев разработанных составов в различных отраслях промышленности и инструментальных хозяйствах.

НА ЗАЩТУ ВЫНОСЯТСЯ ОЩЦУХЩЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

Рассматриваются технологические особенности существующих методов пайки СТМ и физико-химического взаимодействия составляющих их компонентов с многокомпонентными металлическими системами.

На основании физико-химического взаимодействия СТМ с металлическими расплавами и технологических требований к бессеребряным припоям . выполнен .анализ металлохимических свойств элементов для определения оптимальных химических составов при-

- б -

поев. Разработана.методика изготовления припоев. Проанализированы данные их термографических исследований.

Предложена методика вычисления относительной погрешности определения поверхностного натяжения исследуемых припоев, с применением которой определено поверхностное натяжение и краевые углы смачивания чистых металлов и исследуемых припоев.Дано математическое описание формы капли, с помощью которого можно определить непосредственно величину поверхностного натяжения и объем капли по ее размерам на фотоснимках.Оценено влияние эллипсоидности капли на величину погрешности определения поверхностного натяжения жидкостей.

По данным анализа поверхностного натяжения, и работы адгезии расплавов исследовано влияние металлизации и применение флюсов, на растекаемость разработанных припоев.

Исследовано качество шва при пайке СМ разработанными припоями с лрименением флюсов. Даны результаты механических испытаний на срез паяных соединений с использованием различных методов пайки СТМ со стальной державкой.

По результатам исследований и апробации .технологии пайки выбраны припои .оптимального состава и свойств для внедрения в промышленности. Показаны перспективные, .направления для дальнейшей оптимизации химсостава припоев для пайки СТМ.

АПРОБАЩЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЩИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССШ ДОВАНИЙ... .Основные результаты и положения, работы докладывалж и обсуждались.на II и III региональных научно-технических кс нференциях (г. Мариуполь, 1993, 1995 гг), на II Всеукраинскс научно-практической конференции (г. Днепропетровск, 1995 г.! и опубликованы в I статье. .

. ЛИЧНШ. .ВКЛАД. АВТОРА... Выполнены .теоретические .и экспериментальные исследования по разработке составов бессеребряны

припоев на основе меди и технологии пайки СТМ.с их применением.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. .Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов,, списка использованной литературы, включающего 152 наименования источников и. содержит 208 страниц сквозной нумерации, в том числе 13 таблиц и 61 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Анализ технологических особенностей существующих методов пайки СТМ и их физико-химического взаимодействия с многокомпонентными металлическими системами

В настоящее время находят применение следующие способы закрепления режущих элементов из СТМ к корпусу инструмента: механический, заливка жидким металлом, комбинированный и пайка. Наиболее надежное и качественное закрепление СТМ к корпусу инструмента достигается при использовании метода пайки. Однако для закрепления СТМ к корпусу инструмента необходимо обеспечить условия, для протекания физико-химического взаимодействия между жидким металлическим припоем и неметаллическим СТМ, без которых не может реализоваться химическое, сродство их компонентов друг к другу. Реализация этиго процесса при пайке Ста сильно затруднена, если в припое не содержатся элементы, являющиеся адгезионно-активными к СТМ и отличающиеся высоким химическим сродством к компонентам, входящим в их состав, т.е. к углероду, бору или азоту. К числу таких элементов относятся

и другие. Адгезионно-активные металлы можно использовать при пайке СТМ и в чистом виде путем металлизации поверхности, инструментального.материала.

Существенное..влияние..на прочность.паяного соединения и работу инструмента оказывают также напряжения в шве,возникаю-

щие вследствие значительной разницы в значениях термического коэффициента .линейного расширения (ЮР) припоя и СТМ.

В последнее время для резцов и бурового инструмента все шире используются режущие элементы в виде двухслойных алмазно-твердосплавных пластин (AHI). Их применение снимает проблему адгезионной пайки непосредственно СТМ и облегчает процесс соединения твердосплавной подложки из сплава Ш друг с другом или с корпусом инструмента. Для пайки AHI в.настоящее время используются серебросодержащие припои типа ПСр. Их применение при пайке AHI под флюсом ПВ-284 обеспечивает достаточную прочность паяного соединения. Однако, дефицитность серебра ограничивает возможность широкого применения в промышленности припоев на его основе. Поэтому возникает необходимость разработки бессеребряных припоев, пригодных для пайки AHI и не уступающих по своим характеристикам серебросодержащим припоям.

2. Разработка составов бессеребряных припоев

Смачивание поверхности паяемых материалов жидкими припоями является необходимым условием при пайке любых материалов, в том числе и СТМ. Однако характер и степень смачивания материалов жидкими припоями зависят от физико-химического взаимодействия компонентов, входящих в состав этих материалов и припоев и условий проведения процессов пайки. Металлы, входящие в состав припоев, считаются адгезионно-активными, по .отношению к СТМ, если они растворяют в себе компоненты СТМ.(углерод, азот и бор) или образуют с ними химические соединения: карбиды, нитриды, бориды, что обусловливает процесс смачивания припоем СТМ и растекание .по--нему- его расплава.-Наиболее -активными карбидоб-разующими.элементами.являются переходные металлы 1У - У1 групп периодической системы ( Ti, V} йг, МоМ/ и др.). К

числу металлов, .обладающих„высоким-химическим сродством к азоту или бору, относятся алшиний, титан, ванадий,, цирконий . и другие переходные металлы 1У-УП групп периодической системы.

Карбид вольфрама, главная составляющая алмазно-твердого сплава (AHI), обладает слабыми металлическими свойствами и поэтому плохо смачивается припоями, в составе которых отсутствуют металлы, адгезионно-активные к углероду или вольфраму. Однако прочность качественного, соединения AHI пайкой определяется не только, присутствием адгезионно-активных металлов в припое, но и рядом условий, таких как чистота поверхностей паяемых. материалов, технологические параметры процесса пайки, разница в значениях TKJIP и др.

Одними из основных требований к разработке новых составов бессеребряных припоев являются: температура не должна превышать 750 °С; предел прочности на срез паяного соединения АШ с корпусом инструмента не должен быть меньше 220 МПа , припой в жидком состоянии должен хорошо смачивать как твердый сплав Ш6, так и материал корпуса инструмента; ТКЛР основных материалов и припоя должны быть близкими; в составе припоев доданы отсутствовать дефицитные и дорогостоящие компоненты, в том числе и серебро, а также легко испаряющиеся элементы. Этим требованиям могут удовлетворять только многокомпонентные припои. Научным основанием для разработки их оптимальных составов служит анализ металлохимических свойств элементов периодической системы и диаграмм плавкости двойных и тройных систем.

Сходство физико-химических свойств меди и серебра послужило основанием для исследования возможности использования меди в бессеребряных припоях в качестве заменителя серебра.Однако медь имеет .высокую.температуру, ллавления. Как видно из диаграмм состояния двойных сплавов на основе меди, наиболее силь-

ное понижение температуры их плавления вызывают следующие эле менты: Р, S&, Jfs7 Зп, Jn, ^ M¿j} £¿J Pé, Мп, (к По ряду причин, вытекающих из проведенного анализа взаимодейс твия элементов, для понижения температуры плавления бессеребряных припоев на основе меди для введения в их состав выбраш

£>пZn. > Мпг SLj Jfs .

Вместе с проведением этих исследований был испытан второй метод "конструирования" припоев для пайки, который заключается в малом легировании низкоплавких и пластичных металло] или сплавов, не смачивающих паяемые материалы, адгезионно-активными металлами. В этой серии опытов легирование припоев производилось лигатурой на основе А/, , содержащей Мо , W Сл* и Со в соотношении 1:2:4:5:9.

Разработаны 4 серии бессеребряных припоев, составы кото] приведены в табл. I. Качественные припайные сплавы подвергал: термографическому исследованию для определения температур на' ла их плавления и полного расплавления.

Результаты исследований подтвердили теоретические прет сылки о значительном понижении температуры плавления припое: за счет введения в них Cr ^ Sn/ > в меньше!

степени -Мп , а введение tJi несколько повышает температур; плавления. Оплавленные припои характеризуются следующими интервалами температур плавления: I серия -650 - 800 °С; 2 сери; ■330 - о20°С; 3 серия 280 -780 °С; 4 серия 6G0 -710 °С.Для по. ной оценки технологических качеств припоев в процессе работ! проведены дальнейшие исследования с целью определения смачив; емости и адгезионной активности этих припоев по отношению к ВК 6 и стали 40Х.

Таблица

Составы выплавленных припоев и результаты их термографического исследования

Номер сплава

1

1 .Г 1 .2 1 .3

1.4

1.5 1 .6 1 .7 1.8

1.9

1.10

2.1 2.2

2.3

2.4

2.5

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6 з.т

3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

4.1

4.2

4.3

4.4

Расчетное'содержание'компонентов,'мае:,%'

Си

Эп

50

48 46

49 49 46 44 48 48 10

' "5 5

9,5 10 8

~95 88

90 80 75 74

32 32 30 26

1п

Сг

Ге-Аз <20% мае)

80

15'

14

15 14

N1

Мп

'10'

12,5 12 10

31 9

гп

ю

2& 34 18 24 22

А1

11

22 18 20 20

98

РЬ

12

95 90

80

лига-тура

'13

2 5 12

'5' 12 5 10 5

10 2 10 5 10 5 8

Температура,2С

начала плавления

670 625 675 650 600 640 660 700 680 750

'685' 770 650 700 700

'290' 460 685 725 395

485 595 270 260 315 500 530

полного расплавления

15

705 685 720 680 650 670 685 740 720 800

'720 820 690 745 820

'650' 665 670 635

320 495 725 780 420

535 635 285 280 345 540 585

710 70 О 710 660

4

5

- 12 -

3. Методика и эксперименты по определению поверхностных свойств и плотности компонентов припоев

Для экспериментального определения поверхностного натяжения металлических расплавов наиболее приемлем метод неподвижной капли, лежащей на твердой несмачиваемой подложке. По этому методу.величина капиллярной.постоянной (¿2. ) определяется в зависимости от соотношения параметров капли на фотоснимке. Она расчитана с помощью графиков, разработанных С.И. Попелем и др., и таблиц, разработанных Адамсом и Башфортом. Относительная погрешность измерения величины а? зависит от величины нерезкости снимка, характеристики измерительного прибора, применяемого при обмере снимка, точности определения коэффициента увеличения фотокамеры, принятого угла наклона касательной, величины (Н/Я ), характеризующей выбор размера капли данной жидкости и от самой величины Си . Кроме того, существуют так называемые нерегулярные ошибки, связанные с отклонением условий опыта, от тех, для которых применимы расчетные формулы и таблицы, и др.

Относительная погрешность определения поверхностного натяжения по методу С.И. Попеля и др. определяется по формуле:

где > и - соответственно относительные погрешности определения плотности вещества капли,, ускорения свободного падения и. самого, метода; л к и л С - абсолютные погрешности.измерения размеров.капли;.& - .относительные погрешности.по абсолютным величинам .высоты и диаметра капли .соответств,енно. Величины. , . определяются по разработанным нами таблицам в зависимости от параметров капли..При этом.величины а, ,^ показывают, с какой точностью .надо-определять замеры. X и. £ . , чтобы относительная погрешность <о от их неточности была равна I %.

- 13 -

Расчитано влияние эллипсоидности..капли на относительную погрешность определения С? ..Максимальная абсолютная ошибка, вызванная заменой среднего экваториального радиуса капли его наибольшим л или наименьшим & размером будет соответственно равна:

А 4 - ) = Ф(е)], (3.2)

= - (3.3)

где функция от эксцентриситета (^ ) эллипса, значения

которой даны в таблицах.

Учитывая приведенную формулу (3.1), имеем возможность оценить относительную погрешность, вносимую эллипсоидностыо формы капли в плане: А {. - А ^ + (3.4)

где а С - общая погрешность замера экваториального диаметра капли, м\ А (!■, - погрешность, вызванная неточностью измерительного инструмента, м; л ¿о, - абсолютная погрешность, вызванная эллипсоидностыо капли при замене среднего радиуса капли его наибольшим или наименьшим размером, м. При этом замечено,что при больших размерах £ относительная погрешность измерения <о слабо зависит от экваториального диаметра и эллипсоидно-сти капли, и точность определения изменяется от 2,5 до 1,0 %. При меньших значениях I эллипсоидность больше сказывается на относительной погрешности определения <£> , изменяясь от 5,0 до 1,5 %. Поэтому при последующих экспериментах нами были использованы капли больших размеров.

Для применения машинной математической обработки экспериментальных данных нами построены эмпирические формулы для определения <<? по форме.поверхности раздела жидкость - газ.

.. На основании дифференциального уравнения 2-го порядка а /

Лапласа: ; _# - М- + Х°

[и (уГГА ' А '

- 14 -

где А - капиллярная постоянная, были рассчитаны координаты линии меридионального сечения капли и ее объема на ЭВМ 1ВМАТ-386ДХ. Подобные графики отражают функции: X'-o^cxpic^fl у* ayfes e*f(cj f), с, где ö«, ^ й^ а^ С, ¿V

определяются методом наименьших квадратов.

Таким образом, выполнено численное, интегрирование дифференциального уравнения Лапласа и определены все коэффициеь ты эмпирической-зависимости,.необходимые для расчета геомет рических параметров. Полученные данные сведены в таблицы. I результате стало возможным осуществление принципиально ново] способа измерения плотности и поверхностного натяжения мета, лов и сплавов при высоких температурах с применением ЭВМ.

С помощью полученных данных нами были определены физик химические характеристики чистых металлов. Сопоставление ге метрических форм капель расплавов чистых металлов и получе ных расчетным путем показывает их абсолютную идентичность^ гарантирует .точность выполненных измерений.

Эксперименты'по определению поверхностных свойств чист металлов и исследуемых припоев проводились на установке, ps работанной ПГТУ. Относительная погрешность измерения J> и с чистых металлов в данной работе удовлетворительно согласуе' с приводимыми в литературе значениями других авторов.

Исследована температурная зависимость этих параметров описываемая в общем виде линейными уравнениями:

где ра , <ас - соответственно плотность и поверхностное нач ние чистых металлов:

Ca, Zn, Sn, p§t je, cfn при темг туре плавления ( ~Ь„Л ). '

Исследовано влияние добавок олова, марганца, хрома и

мкия на поверхностное, натяжение и плотность расплавов в пределах концентраций, мас.%: Ль - 10,2 - 20,1; $п - 2,8 -9,3; Мп- 10,8 - 20,5; Сг ~ 3,1 - 9,3 и & - 10,3 - 28,9. Выявлено, что с повышением концентрации , М поверхностное натяжение Е> сплавов -Те-^з уменьшается, а добавки 2с , Мл. , Сг приводят к росту величины этой характеристики.

4. Исследование поверхностных свойств разработанных припоев. Анализ влияния промежуточного слоя при пайке ИМ

Исследованы поверхностные свойства разработанных припоев относительно стали 40Х и сплава Ш6, которые показали,что твердый. сплав ВК6 смачивается ими хуже, чем сталь 40Х. Для активизации поверхности паяемых материалов необходимо применять флюсы или металлизацию поверхности.

При исследовании поверхностных свойств припоев первой группы, изготовленных на основе меди и олова с раздельным добавлением в них Сг (4 - 8 %); ^ (2 %); а/с (4 %), лигатуры ( 4 %) и ферромышьяка (2 - 12 %), выявлено, что Сг уменьшает Со ; мышьяк проявил несколько меньшую, а индий - большую поверхностную активность по сравнению с хромом. Эти припои плавятся при температуре 650 - 800 °С.

Температура плавления второй группы припоев, изготовленных на основе меди (39 - 50 %), с раздельным введением (18 - 34.56); 5« ( 5 - 10 %); -Те-Ж (5 %); Ж (5 %); Ма, (10 - 12,5 %); 31 (6 - 10 55) и лигатуры (2 - 12 %) ограничена пределами 6-90 - 820 °С. Для всех припоев этой группы в отношении сплава БК6 характерна близкая к прямолинейной температурная зависимость поверхностных свойств, .расплавов*. Поверхностное натяжение зтих.лрипоев на обоих .подложках характеризуется повышенными значениями по сравнению с другими припоями,

не содержащими,адгезионно-активных компонентов. Зги составы при оптимальном соотношении компонентов могут быть применены в каче стве бессеребряных припоев для пайки СТМ.

Температура плавления припоев III группы находится в широких пределах от 280 до780 °С в зависимости от добавки к ним адге зионно-активных металлов.По отношению к обоим материалам подложек при температуре 660-800°С наблюдается резкое снижение краевого угла смачивания и значительное повышение работы адгезии.

Температура плавления припоев 1У группы находится в пределах 6;о0 -7Г.0 °С. Выявлено, что введение в состав 2 % Мп. при равном содержании Si и увеличении содержания лигатуры с 2 до 3 % улучшает растекаемость капли припоя по стали 40Х. При увеличении содержания Мп. , Sl и лигатуры заметно улучшается растекаемость расплава припоев по обоим материалам ВК6 и 40Х.

Исследовано влияние металлизации хромом поверхности сплава Ш6 на растекаемость разработанных припоев на основе меди. При этом по изменениям краевого угла смачивания и температуры перегрева растекающейся капли над точкой плавления установлено, что металлизация зфомом эффективна только в случае применения припоев, не содержащих адгезионно-активных веществ.

Исследовано влияние различных флюсов (№ I 20 %

; № 2 -da^Oy^ fi/azCOj и rfciCC в соотношении 7 : : 2 : I) на процессы пайки припоями, содержащими адгезионно-активные элементы. Установлено, что при применении указанных флюсов поверхностное натяжение припоев уменьшается и их растекаемость заметно улучшается.

5. Исследование, качества паяного шва при пайке СТМ разработанными припоями с применением различных флюсов

Для проведения предварительных испытаний швов на прочность

- 17 -

»•сошли из. пластинок стали марки 40Х толщиной 2 мм и шириной 1-15 мм паяные образцы типа IY в соответствии с ГОСТ 23047-78. 5раэцьт спаяны в печи разработанными припоями с применением флю-1 № 2. Рекомендуемые параметры пайки образцов: зазор <$ =0,2+ >,4 мм, время выдержки "27 = 8-12 мин, температура пайки 750° С.

Исследовано качество швов при пайке образцов типа 1У из ?али 45 разработанными припоями с применением различных флюсов различных способов нагрева. При этом применены флюсы № 2, №3, 4, № 5. Флюс № 3, содержащий те же компоненты, что и ранее зпытанный флюс № 2, но с добавлением 10 % борного ангидрида, •шжает химическую активность припоев при температуре пайки до Ю °С, что вызывает возникновение непропаев. Флюс № 4, аналойный по составу флюсу № 2, но приготовленный с использовани-« обезвоженной буры,способствует снижению газовыделения в зоцессе пайки. При температуре пайки 730-760 °С флюс № 4 про-вил универсальность по отношению как к припоям различных сос-звов, так и к способам нагрева. Флюс № 5, отличающийся от флю-а № 4 применением в качестве связующего вещества глицерина,при змпературе 800 °С обеспечил наилучшее заполнение зазора и формование шва.

Кратковременность пребывания припоев в жидком состоянии при ндукционном нагреве вызывает снижение прочности связи шва со талью и разрушение при испытаниях на прочность происходит по паю или одноврнменно по спаю и шву. Наибольшую прочность шва беспечивает капиллярная пайка в печи, которая рекомендуется для спользования в дальнейшей работе.

На основе, полученных.результатов экспериментальных и теоре-ических..исследований выполнены дополнительные, работы по оптими-ации саставо.в мышьяксодержащих припо.ев,.. подвергнутых дифферен-иальному термическому анализу и испытанию качества швов.

- 18 -

По. .результатам, испытаний определены оптимальные составы рекомендуемых припоев, (мае. %):

1.Си - 48; Хп. - 9,5;Ми- 12,5;Л-Ю;Д-18, лигатура- 2(№ 2.3)

2.Си - 42; Вп - 5; //£ -5;Мгь~ 10; Л - 10; - 28, (№ 2.1)

3.Л -9+12; £п -5+6; Сг -3*6; ¿1-18»«); Си - остальное (» 5).

Окончательная технологическая отработка пайки рекомендуемыми составами припоев выполнена в процессе апробации на промышленных опытных партиях заготовок режущего инструмента.

б. Апробация технологии пайки разработанными припоями на опытных партиях заготовок режущего инструмента

Опробованы оба варианта технологии пайки разработанными припоями $ 2.1, Л'» 2.3 и № 5, отработанные при изучении качества паяных швов: пайка с индукционным нагревом на воздухе и печная пайка в защитной газовой среде с использованием в обоих случаях флюса № 4 в виде порошка или пасты. В качестве элементов режущего инструмента применяли заготовки из спеченного твердого сплава Ш6 диаметром 28 мм и высотой 12 мм и державки плоские из стали 45 толщиной 3 мм, шириной 15 мм и цилиндрические ф 15мм из стали 40Х. Пайка в печи осуществлялась при температуре 720750 °С и времени вьщержки около 10 мин.

Результаты испытаний паяных соединений представлены в табл 2, из которой видно,что при пайке элементов режущего инструмента с АН1 припоями составов № 2.1; 2.3 при 750 °С и состава № 5 при 720 °С обеспечивается прочность шва на срез на уровне 230 - 310 Ша..

Для апробации технологии пайки с использованием рекомендованных припоев, изготовлены-отрезные резцы,- оснащенные АТП, которые .были.испытаны на заводе.медбиаспецтехо.борудования (г. Мариуполь) при токарной обработке деталей высокой твердости (закаленная сталь 35ХГСА).

.............. Таблица 2

Результаты" механических" испытаний паяных соединений опытных партий заготовок режущего инструмента

припоя

Место" и характер раз-'Характер- дефекто в!- кол-во рушения образцов ¡разрушенного шва 'образ-

заготовки !цов: с |дефек-

^ !тами-/

2, .1 230 по шву участок непропая длиной 1,5 мм I / 5

2 .1 257 по шву с захватом ВК6 дефектов нет - / 5

2, .3 278 по шву с захватом Ш6 дефектов нет - / 5

2 .3 265 по телу заготовки Ш6 дефектов нет - / 5

5 280 по шву. с захватом Ш6 дефектов нет - / 5

5 295 по телу заготовки ВК6 дефектов нет - /5

о I к* 270 по телу заготовки ЕК6 дефектов нет -/5

2. I 3« 284 по телу заготовки ВК6 дефектов нет -/5

2. 3 XX 276 по шву с захватом ВК6 дефектов нет -/5

2. .3 3« 231 по телу заготовки Ж6 сетка трещин вблизи шва 1/5

5 3Gi 300 по шву с захватом Ш6 дефектов нет - / 5

5 3Bf 310 по телу заготовки ЕК6 дефектов нет -/5

к - усредненные результаты 5 испытаний; ?е€ - способ нагрева заготовок-ТВЧ, а для припоев без выделения звездочками -печной, время выдержки в камере печи - 10 мин.

Положительные результаты, полученные при использовании опытных.резцов, подтвердили правильность направления исследований и выбора, .рекомендованных оптимальных составов бессеребряных припоев и показали возможность.их применения.взамен дорогостоящих и дефицитных припоев, содержащих серебро.

- 20 -

QBIfylE ВЫВОДЫ

1. На. основании .анализа металлохкмияеских. свойств элементов периодической системы Д.И.. Менделеева, и характера их взаимодействия, а также требований к припоям для пайки СИЛ, выплавлены опытные партии четырех серий составов бессеребряных припоев, содержащих: I. Си, Sn, Crt Уп, Js, fe, л!¿ ; 2.Си ,

Sn) Js, Mnt £it Ъъ ; 3. Cu, Sa^ J6/ P§ ; 4. Cu, Sn, Js, fe', Ma, Si,

2. Для расчета поверхностного натяжения разработанных припоев разработана методика оценки погрешности его определения

по методу Попеля С.И. и др.

Разработан новый метод построения эмпирических формул для определения ллотносги и поверхностного натяжения расплавов и оценки погрешности этих определений. .

. Разработана методика ,оценки.относительной, погрешности, определения поверхностных свойств расплавов методом лежащей капли, вызванной эллипсоидностью в плане.

3. Получены новые данные по плотности и поверхностному натяжению . систем ñ-J/s. с раздельным добавлением, мае. %: Sn. -2,8+9,3; Мп - 10,8+20,5; Сг - 3,1+9,3; Si - Ю,3*28,9.Выявлено, что температурная зависимость этих свойств описывается линейными уравнениями с отрицательными величинами dj>/dT и dé/dT.

4. Исследованы поверхностные свойства всех разработанных составов припоев четырех групп, при этом выявлено, что припои II группы № 2.1 и № 2.3 при температуре до 750 °С имеют высокие значения работы адгезии, а величины краевых углов смачивания этими припоями поверхностей подложек из сплава ВКб и сталей 40Х, Ст.45.резко уменьшаются при повышении температуры.

5. При исследовании поверхностных свойств расплавов всех

груш припоев выявлено,, что при отсутствии в составе припоев адгезионно-активных элементов сплав Ш6 смачивается их распла-зами хуже, чем сталь 4QX, что подтвердило необходимость выполнения в этом случае операции активации паяемых поверхностей Жб с помощью флюсов или металлизации хромом.

6. Определены оптимальные параметры технологии пайки и составы, отвечающие заданным требованиям: время выдержки при тем-тературе пайки в печи 10 мин; состав флюса при температуре пай-<и 720+750 °С - обезвоженная бура, углекислый натрий,хлористый гатрий в соотношении 7:2:1; рекомендуемые составы бессеребря-■ibix припоев, обеспечивающие при температуре пайки ~ 750 °С прочность швов на срез на уровне 230 - 280 МПа, мае. %: I. № 2.1:

_ 42; Sn - 5; iJi - 5; Мл - Ю; Si - 10; Хп - 28; 2. № 2.3: вы, - 48; Sn - 9,5; Мп -12,5; Si - 10; Sri _ 18; лигатура - 2.

7. На основе анализа выполненных теоретических исследований и экспериментов дополнительно разработаны и исследованы методом дифференциального термического анализа составы мышьяксо-держащих бессеребряных припоев, обеспечивающие при температуре лайки 720 °С прочность паяных швов на срез 280-310 Ша,мас. %:

5: Js - 9+12; Sn - 5+6; Cr - 3*6; Zn. - 18+20\Cu - остальное.

8. Определены значения НИР рекомендованных припоев,величины которых находятся между соответствующими значениями ШЛР сталей и твердосплавных материалов,, что обусловливает компенсирующее влияние припоев при релаксации напряженно-деформированного состояния, повышая качество соединения.,

9. Промышленные испытания токарных резцов, изготовленных по разработанной технологии с применением рекомендованных припоев, показали перспективность их успешного применения для пайки СМ взамен припоев, содержащих дорогостоящее и дефицитное серебро.

- 22 - .

Основное содержание.диссертации изложено.в публикациях:

1. Некоторые особенности метода лежащей капли для определения поверхностного натяжения металлических расплавов / Харлашин П.С., Нгуен Ван Оьем, Бакланский В.М. и др.//III региональная науч.-техн. конф. - T.I.- Мариуполь: ПГТУ, 1995. - С. 15.

2. Апробация технологии пайки разработанными бессеребряными припоями на опытных партиях заготовок режущего инструмента / В.М.Бакланский, Нгуен Ван Оьем, П.С.Харлашин и др.//III региональная науч.-техн. конф. — T.I. - Мариуполь: ПГТУ, 1995. -С.16.

3. Исследование качества паяного шва при пайке CIM бессеребряными припоями с применением различных флюсов /П.С.Харлашин, М.А.Воронкин, Егуен Ван Съем и др.//III региональная науч.-техн. конф. - T.I. - Мариуполь: ПГТУ, 1995. - С. 20.

4. Построение эмпирических формул к определению поверхностного натяжения по форме поверхности раздела жидкость-газ /Й.С.Хар-лашин, В.И.Мазан, Нгуен Ван Оьем и др.//Вестник ПГТУ, № I.- Мариуполь: ПГТУ, 1995. - С. 30.

5. Харлашин П.С., Бакланский В.М., Нгуен Ван Оьем. Разработка технологии сварки давлением с применением адгезионно-активного покрытия, образующего прочное неразьемное соединение с СТМ в вакууме при температурах до 900 °С для режущего инструмента/Д1 Всеукраинская науч.-практическая конф. - Днепропетровск: ДМетИ, 1995. - С. 45.

6. Харлашин П.С., Воронкин М.А., Нгуен Ван Оьем. Влияние металлизации твердосплавной подложки на растекаемость разработанных припоев// II региональная научн.-техн. конф.- Т. I. - Мариуполь: ММИ, 1993. - С. 37.

7. Харлашин П.С., Нгуен Ван Оьем. Некоторые особенности определения поверхностного натяжения методом неподвижной капли //II региональная научн.-техн. конф. - T.I. - Мариуполь:ММИ,1993.-С.

8. Харлашин П.С., Нгуен Ван Оьем. Исследование поверхностных свойств металлических систем //II региональная науч.-техн.конф.-T.I. - Мариуполь: ММИ, 1993. - С. 42.

АННОТАЦИЯ

Нгуен Ван Съем. Разработка бессеребряных припоев для пайки режущего инструмента с элементами из сверхтвердых материалов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - Технология и оборудование для сварки и родственных процессов. Приазовский государственных ¡в<-ническии университет, г Мариуполь, Украина. 1396 г.

Диссертация содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке новых бессервбряных припоев для пайки алмазно-твердосплавных пластин (ДТП) и бипластин кубического нитрида бора (ВПК). Разработаны три припоя на основе меди, имеющих температуру плавления до 750 -С и прочность паяного шаа на срез до 310 МПа. Разработан новый метод определения поверхностного натяжения жидких металлических систем с помощью ЭВМ.

ANNOTATION

Nguyen Van Xiem. Working out the non-silvsr alloys for brasing the tool and the elements of superhard materials. The thesis on competition of the degree of Philosophy s Doctor on Speciality 05.03.06. Technology and equipment for welding and allied processes PnazovsKy State Technical University. Ukraine, 1996.

The thesis contains the results of theoretical and experimental researches on the working out the new non-silver alloys for brasing the diamond - hard - metal plates and the boron cubic nitride - hard - metal plates. The three поп - silver alloys on the copper - basis which have the melting temperature up to 750 °C and the brasing strength up to 310 MPa had been developed. The new method for determining the surface tension of liquid metal systems by computer had been worked out as well.

Ключсв! слове: пайка. бвзср(бпяний припой, рокучий ¡нсгрумент. надтвердии ма-т?р'вл, прверхневе натяжение, механични властивости