CC BY
43
МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 621.793.3:621.922
ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПРИПОЕВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ПАЙКИ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА
© 2012 г. Е.Г. Соколов, А.Д. Козаченко
Кубанский государственный технологический Kuban State Technological
университет, г. Краснодар University, Krasnodar
Для получения алмазно-абразивного инструмента применяются композиционные припои системы Sn-Cu-Co-W, состоящие из металлических порошков и органического связующего. В целях определения оптимальных связующих веществ исследованы спиртовой раствор канифоли, водный раствор поливинилового спирта, глицерин, вазелиновое масло. Изучено их влияние на пластичность припоев, поведение при нагреве, флюсующее действие. Установлено, что оптимальным связующим для получения пастообразных припоев является поливиниловый спирт. Композиционную пайку следует проводить в вакууме или в среде аргона без использования флюсов.
Ключевые слова: алмазно-абразивный инструмент; композиционный припой; связующие вещества; поливиниловый спирт; флюсующие свойства; спекание.
Composite solder alloys of type Sn-Cu-Co-W are used in creating of diamond abrasive tools. That solder alloys consist of metal powder and organic binding agent. In order to determinate optimal binding agents alcohol solution of colophony, water solution of polyvinil alcohol, glycerol and petrolatum oil were analyzed. Researched their impact on moldability of solder alloy, reaction to heat, fluxing ability. It was found that optimal binding agent for paste-like solder alloy is polyvinil alcohol. Composite soldering should be performed in vacuum or argon atmosphere without using of flux.
Keywords: diamond abrasive tool; composite soldering alloy; binding agents; polyvinil alcohol; fluxing properties; sintering.
В камнеобработке широко применяются алмазно-абразивные инструменты с рабочими поверхностями фасонной формы. Одним из методов их получения является композиционная пайка [1]. При данном методе на стальную заготовку наносят пастообразную смесь алмазов и композиционного припоя, содержащего в себе металлические порошки легкоплавкой матрицы, тугоплавкого наполнителя и органическое связующее. Затем заготовку отжигают в вакууме или в инертной среде, при этом связующее вещество испаряется, а припой оплавляется и охватывает зерна алмазов.
К связующему веществу композиционного припоя предъявляется ряд требований:
1) скрепление частиц припоя до его расплавления;
2) обеспечение необходимой вязкости и формуе-мости композиционного припоя при его нанесении на покрываемую заготовку;
3) связующее вещество не должно окислять частицы металлических порошков. Продукты реакций связующего вещества с оксидными пленками, покрывающими частицы порошка, не должны препятствовать растеканию жидкой матрицы композиционного припоя;
4) при выгорании связующее вещество не должно оставлять сажистого остатка [2].
Цель данного исследования - установить оптимальные связующие вещества композиционных припоев, отвечающие перечисленным требованиям.
В настоящей работе использовали припой, содержащий в качестве легкоплавкой матрицы порошок олова с температурой плавления 232 °С, а в качестве наполнителя порошки меди, кобальта и вольфрама. Исходя из вышеперечисленных требований для экспериментального исследования выбраны следующие связующие вещества:
1) 10%-й раствор канифоли в этиловом спирте. Температура плавления канифоли составляет 100...150 °С. При нагреве до 340 °С без контакта с металлом в инертной среде канифоль полностью распадается на NH3 и HCl. При нагреве в контакте с припоем канифоль образует сложные комплексные соединения с оксидами и металлами и промежуточные соединения самой канифоли, которые впоследствии испаряются [3];
2) 5%-й водный раствор поливинилового спирта. Поливиниловый спирт - полимерное соединение (CH2CH(OH))w. Размягчается при температуре 85.90 °С, начинает плавиться и разлагаться при 225.230 °С. В среде инертного газа при температуре выше 300 °С происходит полное разложение поливинилового спирта и его испарение [4];
3) глицерин; температура кипения чистого глицерина и его испарения из композиционного припоя составляет около 290 °С;
4) вазелиновое масло; полностью испаряется из композиционного припоя при температуре около 270 °С [5].
Все перечисленные вещества обладают хорошими адгезионными свойствами, удаляются из композиционного припоя путем испарения или возгонки при температурах, близких к температуре плавления олова.
Методика исследований заключалась в следующем. Порошкообразный композиционный припой, содержащий порошки олова, меди, кобальта и вольфрама (по массе 17 % Sn, 46 % Cu, 30 % Co, 7 % W) смешивали с жидкими связующими веществами в количестве 10...25 % от массы металлических порошков. При приготовлении смесей использовали аналитические весы Adventurer AR2140 с точностью взвешивания 0,0001 г. Полученную пастообразную смесь наносили методом накатки на стальные образцы двух видов - стержни диаметром 10 мм и ролики фасонного профиля с наибольшим диаметром 85 мм. Толщина наносимого слоя составляла 2 мм. Образцы с канифолью и поливиниловым спиртом после нанесения смеси высушивали. Затем образцы подвергали отжигу в вакууме и в среде аргона при температурах 300, 600, 780 и 820 °С с выдержкой 20...40 мин. После выдержек при указанных температурах изучали внешний вид и структуру образцов. Для выявления микроструктуры использовали травитель, содержащий 5 г хлорного железа FeCl3, 15 мл соляной кислоты HCl, 100 мл воды. Металлографические исследования проводили с помощью микроскопа AxioObserver.A1m фирмы Carl Zeiss (Германия).
Припои-пасты с наилучшей пластичностью и вязкостью были получены на основе глицерина, вазелинового масла и поливинилового спирта. Паста на основе спиртового раствора канифоли при нанесении на заготовку быстро теряет пластичность вследствие быстрого испарения этилового спирта, что несколько затрудняет процесс формовки. Наилучшая формуе-мость припоев-паст достигается при следующем содержании связующих веществ: спиртовой раствор канифоли - 10 %, водный раствор поливинилового спирта - 12 %, глицерин - 15 %, вазелиновое масло -10 % от массы металлических порошков. Внешний вид фасонного ролика после накатки на его поверхность смеси на основе поливинилового спирта показан на рис. 1.
а б
Рис. 1. Фасонный ролик: а - после накатки и сушки смеси на основе поливинилового спирта; б - после спекания в вакууме, 820 °С, 40 мин
Нагрев композиционного припоя-пасты сопровождается снижением вязкости связующего вещества,
его разложением и испарением. Проведенные исследования показали, что наиболее заметное падение вязкости наблюдается у паст на основе глицерина и вазелинового масла. Это приводит к потере формы изделия, к образованию наплывов на вертикально расположенных поверхностях образцов. При использовании в качестве связующего вещества спиртового раствора канифоли и поливинилового спирта указанные дефекты не наблюдаются.
Поливиниловый спирт, глицерин и вазелиновое масло практически не вступают в реакции с металлическими порошками и оксидными пленками, следовательно, флюсующими свойствами не обладают [3].
Из исследуемых связующих веществ флюсующими свойствами обладает канифоль. Процесс активации канифоли начинается при температуре около 170 °С. Нагревание канифоли с оксидами металлов приводит к образованию резинатов - солей соответствующих металлов и смоляных кислот, а также выделению различных газообразных продуктов разложения самой канифоли. Таким образом происходит удаление оксидных пленок с поверхности частиц припоя. Очистка и активирование поверхности меди под действием канифоли наблюдается при температуре, не превышающей 300 °С [3].
В процессе нагрева припоя до температуры пайки происходит расплавление легкоплавкой матрицы, смачивание частиц тугоплавкого наполнителя, растекание расплава по поверхности частиц тугоплавкого наполнителя и их частичное растворение [6]. По мере повышения температуры количество жидкой фазы в припое увеличивается, имеет место залечивание пор в слое припоя и его усадка.
Проведенные исследования показали, что очистка частиц тугоплавкого наполнителя под действием канифоли приводит к их преждевременному твердофазному спеканию при недостатке жидкой фазы, усадке и растрескиванию слоя припоя. В связи с тем что композиционный припой за счет содержания тугоплавкого наполнителя обладает повышенной вязкостью, трещины, образовавшиеся в нем в процессе нагрева, не завариваются при пайке (рис. 2).
Рис. 2. Припои-пасты после спекания в аргоне при 820 °С, 20 мин: слева - на основе поливинилового спирта, справа - на основе спиртового раствора канифоли
Добавка к неактивным связующим веществам флюсующих добавок (хлористый аммоний, бензойная кислота) привела к аналогичному отрицательному эффекту.
При нагреве припоев на основе поливинилового спирта в инертной среде оксидная пленка сохраняется на частицах меди до температуры 740...780 °С [3, 6]. Наличие оксидной пленки препятствует преждевременному спеканию частиц припоя и его растрескиванию. При достижении температуры пайки, равной 820 °С, происходит интенсивное оплавление композиционного припоя и его усадка при большом количестве жидкой фазы. В результате формируется структура металлический связки с незначительной пористостью (рис. 3).
Рис. 3. Структура металлической связки Sn-Cu-Co-W, спекание в аргоне 820 °С, 40 мин; *200
Хорошие технологические свойства поливинилового спирта, как связующего вещества, подтверждены следующим экспериментом. В припой-пасту на основе поливинилового спирта были введены алмазы АС150 с размером зерна 400/315 мкм (ГОСТ 9206-80) из расчета получения 25%-го их содержания по объему. Алмазосодержащая смесь нанесена методом накатки на стальной ролик фасонного профиля. После сушки припоя заготовку отжигали в вакууме при температуре 820 °С в течение 40 мин. В результате получен фасонный камнеобрабатывающий ролик, представленный на рис. 1 б.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:
Поступила в редакцию
- оптимальным связующим веществом для композиционных припоев системы Sn-Cu-Co-W является поливиниловый спирт;
- хорошая формуемость композиционных припоев-паст обеспечивается при добавке 5%-го водного раствора поливинилового спирта в количестве 12 % от массы металлических порошков;
- композиционную пайку припоями Sn-Cu-Co-W следует проводить в вакууме или в среде аргона без использования флюсов.
Проведенные исследования показывают, что при правильном выборе связующих веществ припоев-паст композиционная пайка может эффективно применяться для получения абразивных инструментов из сверхтвердых материалов.
Литература
1. Пат. 2362666 РФ, МПК B24D 18/00. Способ получения абразивного алмазного инструмента.
2. Соколов Е.Г., Козаченко А.Д. Выбор компонентов связки для фасонного алмазно-абразивного инструмента // Прогрессивные технологии в современном машиностроении : сб. статей VI Междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 2010. С.139 - 141.
3. Справочник по пайке / под ред. И.Е. Петрунина : 3-е изд., перераб. и доп. М., 2003. 480 с.
4. Ушаков С.Н. Поливиниловый спирт и его производные. Т. 1. Л., 1960. 552 с.
5. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. Минск, 2005. 608 с.
6. Соколов Е.Г., Козаченко А.Д. Смачивание при композиционной пайке абразивного инструмента из сверхтвердых материалов // Современные технологии в машиностроении: сб. статей XIV междунар. науч.-практ. конф. Пенза, 2010. С. 124 - 128.
25 апреля 2012 г.
Соколов Евгений Георгиевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Материаловедение и автосервис», Кубанский государственный технологический университет. Тел. (903)411-03-12. E-mail: e_sokolov.07@mail.ru
Козаченко Алексей Дмитриевич - аспирант, кафедра «Материаловедение и автосервис», Кубанский государственный технологический университет. Тел. (906)432-97-76. E-mail: kozachenko-2010@yandex.ru
Sokolov Evgeny Georgievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Material Science and Car Service», Kuban State Technological University. Ph. 903)411-03-12. E-mail: e_sokolov.07@mail.ru
Kozachenko Aleksey Dmitrievich - post-graduate student, department «Material Science and Car Service», Kuban State Technological University. Ph. (906)432-97-76. E-mail: kozachenko-2010@yandex.ru
