Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ПАЙКИ СИНТЕТИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
СПОСОБ ПАЙКИ СИНТЕТИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

СПОСОБ ПАЙКИ СИНТЕТИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: пайка синтетических сверхтвердых материалов, преимущественно синтетических алмазов и кубического нитрида бора, при изготовлении лезвийного режущего инструмента. Сущность изобретения: пайку осуществляют электронным пучком с одновременным аберационным облучением поликристаллов до степени модификации 1 - 7% . При аберационном облучении плотность энергии составляет 0,1-3,8 Вт/мм2 при температуре поликристалла 650 - 1400С с длительностью облучения 2 - 120 с. Скорость нагрева до температуры пайки составляет 30 - 100 град/с. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2011489
Класс(ы) патента: B23K1/20
Номер заявки: 5002274/08
Дата подачи заявки: 10.09.1991
Дата публикации: 30.04.1994
Заявитель(и): Куликов Генадий Петрович
Автор(ы): Куликов Генадий Петрович
Патентообладатель(и): Куликов Генадий Петрович
Описание изобретения: Изобретение относится к пайке синтетических сверхтвердых материалов, преимущественно синтетических алмазов типа АСПК и кубического нитрида бора (эльбора-Р) с металлом, и может быть использовано для изготовления режущего инструмента.
Целью изобретения является повышение ударной прочности запаиваемых поликристаллов.
Указанная цель достигается комбинированным способом пайки синтетических сверхтвердых материалов, преимущественно синтетических алмазов типа АСПК и кубического нитрида бора (эльбора-Р), включающим сборку паяемой конструкции, размещение порошкового припоя и пайку с приложением давления в котором пайку осуществляют электронным пучком со скоростью нагрева до температуры пайки 30-100 град/с и с одновременным аберрационным облучением поликристаллов до степени модификации 1-7% .
При этом используют плотность энергии аберрационного излучения в пределах 0,1-3,8 Вт/мм2 в условиях нагрева поликристаллов от 650 до 1400оС с длительностью облучения 2-120 с.
С партии заготовок эльбора-Р в количестве 40 шт были предварительно отсняты рентгенограммы на "Дрон-3", после чего заготовки были запаяны в стальные гильзы припоем ПСр-45. Двадцать заготовок запаивались обычным индукционным методом, другие двадцать заготовок запаивались на электронно-лучевой установке ЭЛУ-9Б с приблизительно одинаковыми режимами нагрева. Из запаянных различными способами двух партий заготовок по 10 из каждой были отобраны для изготовления шлифов и по 10 на изготовление режущих вставок. Рентгеноструктурный анализ полученных шлифов показал отклонения от исходных рентгенограмм только у образцов, полученных методом электронно-лучевой пайки. Обработка резанием в условиях удара показала, что более стойкие к удару оказались образцы, полученные методом электронно-лучевой пайки.
Образцы эльбора и АСПК были исследованы на "холодное" облучение рассеянными пучками электронов при ускоряющем напряжении 10-30 кВ. Было установлено, что электронное облучение без нагрева поликристаллов не изменяет их структуру.
Механизм структурного превращения при термоэлектронной обработке поликристаллов зависит от трех факторов: температуры нагретого поликристалла, плотности энергии облучения и длительности процесса облучения. Нагрев, как известно, увеличивает подвижность атомов (ионов) в кристаллической решетке. В соответствии со степенью нагрева в кристаллитах последовательно протекают процессы выравнивания искажений кристаллической решетки, полученных в результате синтеза, перемещение точечных и линейных дефектов, а при высоких температурах нагрева - изменение кристаллической решетки из ОЦК в гексагональную. Энергия электронного пучка, воздействующая на поликристалл, интенсифицирует протекающие в кристаллах процессы при более низких температурах и создает определенное направление перемещением в кристаллах (например, направленное перемещение дислокаций).
Совокупность всех изменений при термоэлектронной обработке (модификация) поликристаллов фиксировалась путем сравнения рентгенограмм исходных образцов с запаянными. Критерием для оценки основных параметров модификации эльбора и АСПК в процессе их пайки служили результаты сравнительного анализа рентгенограмм исходных поликристаллов и паяных с определением среднего процента модификации в поперечном сечении шлифа. Шлифы в дальнейшем перетачивались в резцовые вставки, которые испытывались на стойкость в условиях прерывистого (ударного) резания.
Исследования показали, что ударная прочность поликристаллов увеличивается с увеличением степени модификации до 7% . При степени модификации более 7% у поликристаллов наблюдалось снижение стойкости и повышенный износ при обработке резанием. Степень модификации до 1% ударную прочность увеличивает незначительно. Поэтому промежуток от 1 до 7% среднего изменения степени модификации в поперечном сечении шлифа был принят за оптимальный при определении режимов термоэлектронной обработки поликристаллов.
Влияние нагрева на степень модификации поликристаллов определялось при максимальных, средних и минимальных плотностях электронного облучения. За максимальную плотность облучения была принята величина энергии пучка, при которой появились признаки эрозии с поликристалла. Минимальная плотность энергии определялась при максимальной длительности процесса облучения в условиях предельно низких температур нагрева поликристаллов со средней степенью модификации более 1% .
Предельно низкая температура нагрева была установлена путем облучения поликристаллов эльбора и АСПК пучками электронов максимальной плотности до появления эффекта модификации со средней степенью около 1% . В опытах по определению предельно низких температур в качестве датчиков использовались хромель-алюмелиевые термопары. Отверстия под датчики в эльборе сверлились алмазными сверлами, а в АСПК выполнялись электроэрозионной обработкой. Облучение осуществлялось при фиксированных температурах последовательно: 300, 400, 500, 600, 700, 650оС - многократным облучением, при этом электронный пучок являлся одновременно источником нагрева поликристаллов. Облучение осуществлялось до тех пор, пока поликристалл не нагревался до исследуемой температуры, после чего пучок отключался для охлаждения поликристалла, а затем процесс облучения возобновлялся. Количество циклов облучения для каждой температуры подбиралось так, чтобы выдержать 3-4 с поликристалл в исследуемом режиме (6-7 циклов). После облучения поликристаллы подвергались рентгеноструктурному анализу.
В результате проделанных опытов эффект модификации был определен при 650±10оС, где он проявился скачкообразно. Температура 650оС была зафиксирована в качестве минимальной температуры модификации.
Максимальная температура модификации определялась оптическим пирометром "Проминь" при максимальной плотности облучения и минимальной длительности (2-3 с), необходимой для фиксации прибором температуры нагрева. Изучение рентгенограмм, полученных при максимальных параметрах нагрева и облучения, показало, что нагрев свыше 1400+40оС в трех случаях из десяти приводит к высокой степени модификации, превышающей 7% , снижению стойкости изготавливаемого инструмента. Поэтому максимальная температура термоэлектронной обработки была принята равной 1400оС. Исследования по определению максимальной температуры нагрева проводились на поликристаллах АСПК, которые более чувствительны к воздействию высоких температур по сравнению с эльбором.
В предлагаемом способе совмещенного процесса пайки и термоэлектронного упрочнения величина максимальной плотности облучения должна определяться из энергетического промежутка пучков, используемых в промышленном производстве. Этот энергетический промежуток, исходя из практики электронно-лучевой пайки, составляет 0,5-1,0 кВт. При этом использование пучков малых энергий (0,5 кВт) увеличивает длительность процесса пайки до 60-70 с, что весьма отрицательно сказывается на производительности. Использование электронных пучков максимальных энергий (1,0 кВт) сокращает длительность нагрева до 5-10 с, однако с повышением производительности возрастает процент брака по прожогам заготовок.
Максимальная плотность облучения поликристаллов определяется следующим образом.
Рассеянный поток электронов с энергией в 1,0 кВт фокусировался на массивной медной подставке с желобом, в который помещался цилиндрический поликристалл. Перпендикулярно желобу на подставке наносились равномерно риски через 1 мм для фиксации размеров фокального пятна (rп). Последовательно уменьшая размеры фокального пятна фокусирующей системой, пучок отклоняющей системой направлялся так, чтобы граница фокального пятна постоянно пересекала поликристалл. При появлении признаков эрозии с поликристалла в зоне фокального пятна фокусировку корректировали так, чтобы видимый процесс эрозии прослеживался вплоть до границы фокального пятна. Затем по рискам на подставке фиксировали размер пятна rп, за пределами которого эрозионные процессы на поликристалле отсутствовали. Таким образом было установлено, что электронный пучок мощностью в 1,0 кВт с размерами фокального пятна rп = 7 ± 0,5 мм имеет максимально допустимую плотность аберрационного облучения поликристалла рассеянными электронами, где ± 0,5 мм визуальная ошибка при определении размера rп.
Плотность энергии пучка в 3,8 Вт/мм для процессов пайки поликристаллов следует считать предельной.
Минимальная плотность аберрационного облучения определена из условия максимальной длительности процесса облучения при минимальных температурах нагрева поликристалла (650-700оС) с учетом достижения средней степени модификации в 4-5% .
При фиксированных значениях температуры нагрева и степени модификации зависимость длительности процесса облучения от плотности аберрационного облучения была исследована экспериментально и после статистической обработки представлена в виде графика на фиг. 1.
Из представленного графика очевидно, что при длительности процесса в 120 с, реально фиксируемой величиной плотности аберрационного облучения является плотность в 01, Вт/мм2. Таким образом для степени модификации в пределах 1-7% были определены основные режимы аберрационного облучения поликристаллов непосредственно в процессе электронно-лучевой пайки со следующими границами:
Температура нагрева поликристаллов, оС 650-1400
Плотность энергии облучения, Вт/мм2 0,1-3,8
Длительность процесса облучения, с 2-120
На фиг. 2 представлена схема распределения энергии пучка в процессе запаивания эльбора 3 в стальную гильзу 1 припоем 2. Ось электронного пучка с максимальной плотностью тока пучка Iо приблизительно устанавливается в области границы отверстия в стальной гильзе 1. Фокусирующей системой устанавливают размер фокального пятна rп так, чтобы его граница не попадала на эльбор 3. Энергию пучка I и Uускподбирают в зависимости от диаметра гильзы 1. Процесс пайки начинается с нагрева гильзы 1, припоя 2 и эльбора 3 при постоянном аберрационном облучении эльбора 3 потоком рассеянных электронов в области Δr. Процесс пайки заканчивают снятием электронного пучка с заготовки после расплавления порошкового припоя 2 и перемещения эльбора в расплавленный припой (в отверстие гильзы 1) под действием расчетного давления Р.
В качестве примера определим основные параметры комбинированного процесса пайки эльбора с модификацией для изготовления резцовых вставок:
1. ⊘ 10х25 мм
2. ⊘ 8х25 мм
П р и м е р 1. По схеме, представленной на фиг. 2, выполнялась пайка эльбора в гильзу ⊘ 10х25 при следующих параметрах электронного пучка: Uуск = 20 кВ, I = 0,035А, rп = 6 мм, с установкой границы фокального пятна приблизительно в 1 мм от эльбора 3 на гильзе 1. Под аберрационное облучение Δr попадала область эльбора размером в 3 мм.
При указанных выше параметрах плотность тока на оси пучка составляла 0,49 мА/мм2.
Максимальная плотность энергии облучения поликристалла при r = 7 мм равна 2,5 Вт/мм2.
Минимальная плотность облучения на свободной поверхности поликристалла при r 10 мм 0,61 Вт/мм2.
Температура нагрева поликристалла, фиксируемая оптическим пирометром с 800оС, постоянно увеличивалсь вплоть до 1300оС, при которой эльбор переместился в расплавленный припой. Промежуток времени нахождения поликристалла под действием возрастающих температур 800-1300оС и аберрационного облучения составил 12 с. Степень модификации составила 6,0% .
П р и м е р 2. По схеме, представленной на фиг. 2, выполнялась пайка эльбора в гильзу ⊘ 8 х 25 при следующих параметрах электронного пучка: Uуск = 20 кВ, I = 0,020 А, rп = 6 мм, с установкой границы фокального пятна приблизительно в 1 мм от эльбора 3 на гильзе 1. Под аберрационное облучение Δr попадает область эльбора размером в 2,5 мм.
Плотность тока на оси пучка равна 0,28 мА/мм2.
Максимальная плотность энергии облучения поликристалла при r 7 мм равна 1,4 Вт/мм2.
Минимальная плотность энергии облучения на свободной поверхности поликристалла при r 9,5 мм составляет 0,4 Вт/мм2.
Температура нагрева поликристалла, фиксируемая оптическим пирометром с 800оС, постоянно увеличивалась вплоть до 1300оС в течение 6 с. Степень модификации составила 3,5% .
В приведенных примерах образцы после заточки имели высокую стойкость при обработке резанием с ударным нагружением режущей кромки.
Высокая надежность в работе режущего инструмента, оснащенного эльбором-Р и АСПК, изготовленного методом электронно-лучевой пайки на жаропрочных припоях, неоднократно подтверждена в эксплуатации.
Формула изобретения: 1. СПОСОБ ПАЙКИ СИНТЕТИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ преимущественно поликристаллов из синтетических алмазов и кубического нитрида бора, включающий сборку паяемой конструкции, размещение порошкового припоя и пайку с приложением давления, отличающийся тем, что пайку осуществляют электронным пучком со скоростью нагрева до температуры пайки 30 - 100 град/с и с одновременным аберационным облучением поликристаллов до степени модификации 1 - 7% .
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при аберационном облучении плотность энергии составляет 0,1 - 3,8 вт/мм2 при температуре поликристалла 650 - 1400oC с длительностью облучения 2 - 120 с.