СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Соединение металлокерамических материалов

сч сч о сч

сч

о ш т

X

<

т о х

X

Лежнин Роман Александрович

аспирант кафедры «Машиностроение и материаловедение» Поволжского государственного технологического университета, gst3400@gmail.com

Стародубцева Ольга Николаевна

аспирант кафедры «Машиностроение и материаловедение» Поволжского государственного технологического университета, StarodubcevaON@volgatech.net

Алибеков Сергей Якубович

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение «Поволжского государственного технологического университета, AlibekovSY@volgatech.net

Ханина Юлия Александровна

студент кафедры «Машиностроение и материаловедение» Поволжского государственного технологического университета, yu.khanina@gmail.com

Патерюхин Иван Сергеевич

аспирант кафедры «Машиностроение и материаловедение» Поволжского государственного технологического университета, PateryuhinIS@volgatech.net

В настоящее время металлокерамические сплавы широко используются в различных отраслях промышленности. Больше всего их применяют для производства режущего, износостойкого, бурового инструмента, все большее значение приобретает использование их для изготовления инструментов, работающих при высоких и низких температурах и в агрессивных средах.

Данная статья посвящена повышению качества и долговечности твердосплавного инструмента. Описываются виды твердых сплавов, а также наиболее применяемые и эффективные инструментальные материалы. Также речь идет о соединении режущих частей, выполненных из металлокерамических материалов, со стальными корпусами инструмента методом тВч-пайки. Рассматриваются припои и флюсы, наиболее часто применяемые на производстве. Особое внимание уделяется технологическому процессу ТВЧ-пайки твердосплавных дисковых пил, а именно технологическим режимам и особенностям процесса пайки. Авторами статьи предложены методы повышения качества и прочности паяных соединений. Ключевые слова: твердосплавный инструмент, металлокерамические материалы, твердый сплав, дисковые пилы, тВч, пайка, припои, флюсы, режимы пайки, индуктор.

В настоящее время металлокерамические сплавы широко используются в различных отраслях промышленности. Больше всего их применяют для производства режущего, износостойкого, бурового инструмента, все большее значение приобретает использование их для изготовления инструментов, работающих при высоких и низких температурах и в агрессивных средах.

Металлокерамические сплавы представляют собой композиционные материалы особого класса, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, которые сохраняются при высоких температурах (800оС и более). Металлокерамические сплавы можно определить как композицию, получаемую методом порошковой металлургии и состоящую из тугоплавкого соединения в виде карбидов элементов и сравнительно легкоплавкого связующего элемента. [1, 4]

В последнее время твердосплавные инструменты нашли применение в деревообработке. Известно, что высокопроизводительная и качественная механическая обработка древесины и древесных материалов во многом зависит от инструмента. Достижение высоких показателей возможно при соблюдении определенных условий использования дереворежущего инструмента: правильного выбора инструментального материала, конструкции угловых параметров, рациональных режимов резания, выполнения мероприятий по подготовке инструмента к работе.

В деревообрабатывающей отрасли наибольшее распространение получили твердосплавные дисковые пилы. Для их изготовления используют пайку. При пайке твердосплавных пластин на корпус режущего инструмента вследствие различия физико-механических свойств твердого сплава и стали в паяном соединении возникают значительные остаточные напряжения, которые являются причиной образования трещин или поломки дисковых пил. Внутренние напряжения возникают из-за разности коэффициентов линейного расширения стали корпуса и материала твердосплавной пластины, которые отличаются в 2 раза. [2, 3, 5]

Данная статья посвящена анализу технологии изготовления дисковых пил с твердосплавными пластинами на ООО «Махагони». Для изготовления корпусов дереворежущего инструмента используют различные марки сталей, такие как Сталь 45, 9ХФ, 50ХФА, 60Г2А и другие. В качестве режущих пластин используют марки твердых сплавов ВК-6, ВК-8, ВК-15 по ГОСТ 3882-74. Форма и размеры пластин должны соответствовать требованиям ГОСТ 13833-77. Размеры твердосплавных пластин отличаются по длине от 7 до 12 мм, по ширине от 3 до 7 мм и по толщине от 2,5 до 3,5 мм. Угол при вершине режущей кромки составляет 60°. [6, 7]

В настоящее время доля твердосплавного инструмента, применяемого для обработки древесных материалов резанием, составляет 70-80%, поэтому повышение его качества является актуальной задачей. Проведенный анализ эксплуатации и изготовления твердосплавного инструмента показывает, что около 50-60% поло-

мок твердосплавных пластин, таких как трещины, микровыкрашивание режущих кромок, является следствием нарушения технологии изготовления или ремонта инструмента. Многие производители твердосплавных инструментов до сих пор используют устаревшие материалы и технологии пайки, в результате чего в твердосплавных пластинах возникают напряжения, уменьшающие предел прочности. Большое внимание в процессе пайки инструмента уделяют правильному выбору пластинок из твердого сплава, который зависит от режимов резания, твердости и плотности обрабатываемого древесного материала. Механические свойства твердосплавных платин зависят от химического состава и процентного содержания в них связующего компонента - кобальта, а также от размеров исходных порошковых материалов. Известно, что чем больше в твердом сплаве связки, т. е. кобальта, тем выше его прочность, лучше сопротивление ударным нагрузкам и вибрациям. Если твердосплавные пластины обладают низкой вязкостью, то на режущей кромке быстро образуются микроскопические сколы, которые приводят к ухудшению качества обработки и поломке инструмента.

Известно, что с уменьшением содержания связующего компонента кобальта у ВК сплавов твердость и износостойкость увеличиваются, а сопротивляемость к ударным нагрузкам и вибрациям снижается. Данное обстоятельство имеет большое значение, так как при обработке древесных материалов встречаются как плотные участки в виде сучков, так и мягкие участки. Поэтому оптимальный выбор твердосплавных материалов позволяет продлить срок службы инструмента и повысить качество обработки поверхности. Следует отметить, что многие производители твердосплавных пластин изготавливают их из мелкозернистых порошковых материалов, которые обладают высокой износостойкостью, но они чрезвычайно хрупкие.

Если при пайке не выдержаны технологические режимы обработки, особенно температура и продолжительность пайки, то это способствует выгоранию связующего компонента и появлению микротрещин и микро сколов. Иногда данные дефекты незаметны до начала работы инструмента. Они проявляются вследствие нагрузки, при работе. Особо важное значение имеет подготовка корпуса инструмента к пайке твердосплавной пластины. Поверхность под твердосплавную пластину должна полностью соответствовать ее размерам и форме. Пластины из твердых сплавов подвергают очистке: выкрашивание, острые углы и дефекты прессования удаляют при помощи зачистки шлифованием. Паяемые поверхности очищают от окислов на шлифовальном круге. Поверхность корпуса готовят к пайке так, чтобы пластина плотно легла на поверхность, допустимый зазор между пластиной и корпусом составляет <0,1 мм. Для пайки твердосплавных пластин к стальному корпусу используют твердые припои: медные, медно-цинко-вые, медно-фосфорные и серебряные. Высокой смачиваемостью обладают серебряные припои, но из-за высокой цены на предприятии применяют медно-цинковые припои марок Л62 и Л68. Припой покупают в виде пластин определенной толщины. Хотя температуры плавления данных припоев примерно одинаковы, однако серебряные припои позволяют не перегревать в процессе пайки ни корпус дисковой пилы, ни напаиваемую твердосплавную пластину. Этот припой обеспечивает качественную работу инструмента во время ударных нагрузок в зоне обработки сучков при пилении древесины. На

некоторых предприятиях применяются медно-фосфор-ные припои как заменители серебряных припоев. Медно-фосфорные припои плохо смачивают стальные поверхности и в пограничных диффузионных слоях образуются хрупкие фосфорные соединения. [8]

Известно, что наличие оксидной пленки на поверхностях спаиваемых материалов и расплавленного припоя ухудшает смачивание. Для удаления оксидных пленок при пайке используют различные флюсы, защитные газовые среды, вакуум и другие способы. Но наиболее часто применяются флюсы. Обычно флюс наносят в процессе пайки на припаиваемые поверхности в виде водных и спиртовых растворов, паст, а также в порошкообразном состоянии. Флюс активен в определенном температурном диапазоне. Он защищает расплавленный припой и нагретые поверхности припаиваемых деталей, в результате чего поверхности припаиваемых деталей хорошо смачиваются припоем. Флюсы вступают в реакцию с оксидной пленкой и обеспечивают растекание припоя и равномерное его распределение между спаиваемыми поверхностями. На предприятии чаще всего используют твердые флюсы, в основном, буру. Бура -высокотемпературный флюс, выпускаемый в виде порошка. Применяется при соединении металлических деталей методом пайки. Бура плавится при температуре 700 - 1150ОС в зависимости от химического состава. Хорошо растворяется в воде и при нагревании превращается в стеклообразную массу, которая обеспечивает защиту зон пайки. Приобретаемая бура содержит прозрачные или сероватые кристаллы, доля последних больше. Химическая номенклатура буры для пайки характеризует, что это кристаллогидрат соли натрия тетраборной кислоты, окруженный оболочкой, в составе которой 10 или 5 молекул воды ^а2ВЮ7 • ЮН2О и Na2B4O7 • 5Н2О). По внешнему виду буру для сварки-пайки делят на два вида. Первым видом является твердая бура в виде мелких фракций. Такая форма способствует легкости подачи буры на металлические поверхности перед процессом пайки. Вещество при этом не расщепляется. Второй вид - разведенная бура. Она больше подходит для пайки легких металлов и их сплавов. Вещество представляет собой ту же порошковую буру, но растворенную в жидкости. Пользоваться разведенной бурой довольно просто: ее можно наносить на паяемые поверхности или макать в нее паяемые детали перед пайкой.

На предприятии буру во избежание кипения при пайке прокаливают. При прокаливании удаляется кристаллизационная вода. Активное действие буры начинается с температуры 800оС, при более низких температурах она плохо растекается. Сама бура далее в расплавленном состоянии может быть нагрета до более высокой температуры без заметного испарения. При этом она обладает высокой жидкотекучестью и эффективно растворяет окислы многих металлов. По этой причине многие производители твердосплавного инструмента при пайке используют в качестве флюса именно буру. Хотя некоторые используют борную кислоту, которая по активности и своим свойствам уступает буре и реже используется в качестве флюса при пайке твердосплавных пластин. А смесь буры и борной кислоты в соотношении 1:100 в качестве флюса показывает хорошие результаты. Однако производственники используют только буру, что экономически более целесообразно.

После изготовления корпуса дисковой пилы гидроабразивным методом его подвергают визуально-измерительному контролю. Затем подготавливают постель

X X

о

го А с.

X

го т

о

2 О

м м

сч сч о сч

сч

о ш т

X

3

<

т о х

X

(паз) под твердосплавную пластину, соответствующую ее форме и размерам. Пластина не должна выступать за пределы паза более чем по 0,8 мм на сторону. При использовании трехслойных припоев обязательно необходимо углубить паз на толщину 0,2 мм. Пазы под пайку обрабатывают до чистоты ^20. Изготовленные пазы тщательно очищают от следов масла, эмульсии и других загрязнений. Для удаления эмульсии пазы обрабатывают 10-15% водным раствором каустической соды при температуре 70-80оС в течение 10-15 минут, а затем промывают в теплой воде с последующей сушкой горячим воздухом.

Подготовленные пластины и корпус пилы поступают на участок пайки. Для пайки используют ТВЧ-установки. Через рабочую часть - индуктор - пропускают токи высокой частоты (ТВЧ), в результате чего место пайки нагревается до необходимой температуры. Для предохранения от окисления изделия нагревают в вакууме или защитной среде с применением флюса. На предприятии пайку ведут только с применением флюса. Индуктор ТВЧ выполнен в виде петли из медной трубки. Форму и размер индуктора подбирают в зависимости от конструкции и размеров паяемого изделия. [8]

На наш взгляд следует четко соблюдать температурные режимы пайки, так как при нагреве сталь корпуса переходит в аустенитную структуру и при недостаточно медленном охлаждении закаляется. Гнездо под индукционную пайку в корпусе инструмента должно точно соответствовать пластине из твердого сплава. Хотя при изготовлении дисковых пил выбирают пластины одного типоразмера, бывают случаи, когда пластина в данный паз не ложится, в таком случае ее меняют на другую. Это обусловлено тем, что твердосплавные пластины выпускаются с определенными допусками по толщине, поэтому их следует тщательно сортировать. На некоторых предприятиях для получения одинаковых размеров твердосплавных пластин их подвергают шлифовке. При шлифовке края пластин могут разрушиться, что приводит к ухудшению качества режущей кромки. Шлифовка также может снизить эксплуатационную прочность твердосплавных изделий. При индукционной пайке твердосплавных пластин в открытый паз допускается выступ пластины за пределы корпуса до 0,5-0,7 мм. Большее свисание, особенно в случае пайки твердосплавных пластин с малым содержанием кобальта, вызывает образование трещин в пластинах при заточке. Это обусловлено нагревом выступающей части твердосплавной пластины.

Индукционную пайку на предприятии производят в открытый паз по одной плоскости, так как индукционная пайка по двум плоскостям вызывает дополнительные остаточные напряжения. При индукционной пайке пластин по одной плоскости возможно их смещение. При индукционной пайке резцов в открытый паз можно оставлять уступы для фиксации твердосплавной пластины. При пайке твердосплавных пластин к дисковым пилам, особенно небольших размеров диаметром до 100 мм и толщиной до 3-4 мм, оставлять уступы затруднительно. Поэтому твердосплавные пластины на дисковые пилы паяют без уступов с соблюдением технологических режимов пайки. Сборку под ТВЧ пайку обычно производит паяльщик одновременно с пайкой. Паяльщик наносит флюс на паяемые поверхности и подает припой в виде ленты, обрезая его по размеру твердосплавной пластины, и снова насыпает флюс. Затем под-

носит конструкцию в зону действия индуктора ТВЧ-уста-новки. После расплавления припоя и его растекания паяльщик отодвигает конструкцию из индуктора, не давая припою затвердеть, и прижимает твердосплавную пластину к корпусу дисковой пилы. [9]

Нагрев сборки происходит сверху, так как индуктор при пайке расположен над твердосплавной пластиной. На наш взгляд происходит разогрев в первую очередь пластины, а затем припоя и паза корпуса пилы. При таком нагреве чаще могут образовываться термические трещины в самих пластинах из-за разности температур связки (кобальта) и наполнения (карбида вольфрама). [10]

Нами предложена технология по улучшению качества ТВЧ-пайки путем изменения формы индуктора. Он выполнен в форме вилки, которая охватывает паяемую конструкцию по бокам, то есть по месту расположения припоя и флюса. Такая конструкция лучше с точки зрения прижима твердосплавной пластины к корпусу дисковой пилы. Качество паяного соединения повышается за счет быстрого плавления и растекания припоя и флюса. Упрощается подведение и отведение подготовленных сборок в поле действия индуктора. При расположении индуктора поверх твердосплавной пластины часто возникает смещение пластины относительно паза. Это особенно видно при пайке мелких твердосплавных пластин к дисковым пилам малых диаметров.

После пайки твердосплавных пластин пилы подвергают очистке механическим путем для удаления излишков припоя. Контроль качества паяного инструмента производят после обдувки. На поверхности дисковых пил не должно быть излишков припоя и флюса в виде наплывов. Проверяется равномерность паяного соединения. Проверяется соосность припаянных пластин к корпусу дисковой пилы. Если имеются небольшие участки неравномерного растекания припоя, то допускается облуживание пластин. Толщина слоя припоя под пластинкой из твердого сплава должна быть в пределах 0,35 мм. Паяный шов по периметру не всегда получается равномерным. В шве по периметру и в углах допускаются единичные места без пропаивания. Длина разрывов паяного шва между опорными поверхностями и корпусом дисковой пилы не должна превышать 5% видимой длины паяного шва. Нежелательны разрывы припоя под главной режущей кромкой. Это одна из основных причин отрыва твердосплавных пластин от корпуса дисковой пилы и их поломки. Обязательно необходимо подвергнуть визуальному осмотру главные режущие кромки, желательно с применением лупы с 4-10 кратным увеличением. Трещины и сколы на твердосплавных пластинах и корпусе пилы не допустимы. После визуально-измерительного контроля дисковые пилы упаковывают.

Таким образом, для повышения качества твердосплавных инструментов необходимо правильно подобрать материал корпуса, твердый сплав, а также припои и флюсы. Они должны обладать химическим сродством друг к другу. При достаточном сродстве происходит взаимная диффузия этих материалов друг в друга. Данное обстоятельство повышает качество и прочность паяного соединения. Для улучшения физико-механических свойств большее значение имеет припой, выбранный для пайки, его способность смачивать паяемые поверхности. При улучшении физико-механических свойств паяных соединений, на наш взгляд, главное значение играет правильно выбранный технологический процесс производства пайки.

При производстве также необходимо равномерно наносить флюс (буру) на подготовленную поверхность. В производственных условиях при пайке пластин на дисковые пилы влияет небольшое отклонение размеров твердосплавных пластин, а также человеческий фактор (усталость, невнимательность). Снижение качества происходит и при зачистке паяных швов. Для повышения качества и прочности паяных швов нами предложено наносить флюс на поверхность паза в корпусе дисковой пилы в виде пасты. В этом случае флюс держится на поверхности паза и равномерно смачивает поверхности при пайке. Флюс перед пайкой необходимо прокаливать и наносить на паяемые поверхности в этот же день.

Литература

1. Панов В. С., Коняшин И. Ю., Левашов Е. А., Зайцев А. А. Твердые сплавы. 3-е изд. доп. и перераб. М.: «МИ-СиС», 2019. 398 с;

2. Якунин, Н. К. Подготовка круглых пил к работе. 2-е изд., перераб. и доп. М.: "Экология", 1991. 288 с;

3. Лашко, С. В., Врублевский Е. И. Технология пайки изделий в машиностроении: Справочник проектировщика. М.: Машиностроение, 1993. 464 с;

4. F. Bellin, A. Dourfaye, W. King, M. Thigpen. The current state of PDC bit technology // WorldOil. 2010. P. 41-46;

5. Петрунин, И. Е. Физико-химические процессы при пайке. М.: Высшая школа, 1972. 280 с;

6. Свиридов, Л. Т., Ивановский А. В., Ивановский В. П. Технология изготовления и подготовки к работе дереворежущих инструментов, оснащенных твердым сплавом. // Лесотехнический журнал. 2011. №3. С. 106-113;

7. S. Hawi, S. Gharavian, M. Burda, S. Goel, S. Lotfian, T. Khaleque & H. Yazdani Nezhad. Development of carbonaceous tin-based solder composite achieving unprecedented joint performance // Emergent Materials. 2021, Vol.4, P. 1679-1696;

8. Винников, И.З. Паяльные работы. М., Высшая школа, 1966, 176 с;

9. Тарасов, А. Н., Шалагинов С. Л., Шевченко П. Р. Опыт применения новых ленточных припоев и флюсовых паст при изготовлении твердосплавного режущего инструмента. // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2005. №3. С. 13-17;

10. K. Bobzin, M. Ote & J. Hebing. Approaches and possibilities for reducing residual stresses in induction brazed cemented carbide/steel joints // Welding in the World. 2020. Vol.64. P. 1579-1587.

Joining sintered materials

Lezhnin R.A., Starodubtseva O.N., Alibekov S.Ya., Khanina Yu.A., Pateryukhin I.S.

Volga State Technological University

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_

Currently, metal-ceramic alloys are widely used in various industries. Most of all they are used for the production of cutting, wear-resistant, drilling tools, their use for the manufacture of tools operating at high and low temperatures and in aggressive environments is becoming increasingly important.

This article is devoted to improving the quality and durability of carbide tools. The types of hard alloys are described, as well as the most used and effective tool materials. We are also talking about the connection of cutting parts made of metal-ceramic materials with steel tool bodies by high-frequency soldering. Solders and fluxes, which are most often used in production, are considered. Particular attention is paid to the technological process of high-frequency soldering of carbide saw blades, namely, technological modes and features of the soldering process. The authors of the article proposed methods for improving the quality and strength of solder joints.

Keywords: carbide tools, cermet materials, carbide, saw blades, high-frequency current, soldering, solders, fluxes, soldering modes, inductor. References

1. V. S. Panov, I. Yu. Konyashin, E. A. Levashov, and A. A. Zaitsev, Hard

Alloys. 3rd ed. add. and reworked. M.: "MISiS", 2019. 398 p.;

2. Yakunin, N. K. Preparation of circular saws for work. 2nd ed., revised. and

additional M.: "Ecology", 1991. 288 p.;

3. Lashko, S. V., Vrublevsky E. I. Technology of soldering products in me-

chanical engineering: A designer's guide. M.: Mashinostroenie, 1993. 464 p.;

4. F. Bellin, A. Dourfaye, W. King, M. Thigpen. The current state of PDC bit

technology // WorldOil. 2010. P. 41-46;

5. Petrunin, I. E. Physical and chemical processes during soldering. Moscow:

Higher school, 1972. 280 s;

6. Sviridov, L. T., Ivanovsky A. V., Ivanovsky V. P. Manufacturing technology

and preparation for work of wood-cutting tools equipped with a hard alloy. // Forestry journal. 2011. №3. pp. 106-113;

7. S. Hawi, S. Gharavian, M. Burda, S. Goel, S. Lotfian, T. Khaleque & H.

Yazdani Nezhad. Development of carbonaceous tin-based solder composite achieving unprecedented joint performance // Emergent Materials. 2021, Vol.4, P. 1679-1696;

8. Vinnikov, I.Z. Soldering work. M., Higher School, 1966, 176 s;

9. Tarasov, A. N., Shalaginov, S. L., Shevchenko, P. R. Experience in the use

of new solder tapes and flux pastes in the manufacture of carbide cutting tools. // Processing of metals: technology, equipment, tools. 2005. No. 3. pp. 13-17;

10. K. Bobzin, M. Ote, & J. Hebing. Approaches and possibilities for reducing

residual stresses in induction brazed cemented carbide/steel joints // Welding in the World. 2020. Vol.64. P. 1579-1587.

X X

о

го А с.

X

го m

о

2 О

м м