Адгезия расплавов и пайка материалов. Сборник научных трудов. Вып. 41

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 621.762

А. А. Адамовский, Н. С. Зюкин, В. А. Евдокимов

ПАЙКА СВЕРХТВЕРДЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ НИТРИДА БОРА ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО И КОНСТРУКЦИОННОГО

НАЗНАЧЕНИЙ

Измерен краевой угол смачивания адгезионно-активным припоем сверхтвердых

материалов на основе кубического нитрида бора. Угол смачивания, в зависимости от

температуры пайки, измеряли в вакууме методом лежащей капли. Установлено, что крае-

вой угол смачивания кубического нитрида бора больше такового композиционных

материалов на его основе. С повышением температуры пайки (850950

С) угол смачива-

ния для всех исследованных материалов уменьшается. Изготовлены изделия

инструментального назначения (резцы) и модели изделий конструкционного назначения

(стержни, подпятники, опоры подшипников скольжения).

Введение

Сверхтвердые материалы (СТМ) на основе нитрида бора уже нашли

широкое применение в промышленности в качестве инструментальных

материалов при лезвийной, абразивной обработках закаленных сталей и

чугунов. Благодаря своим уникальным свойствам они могут использовать-

ся в качестве конструкционных материалов во многих отраслях машино-

строения. Однако СТМ получают в камерах сверхвысокого давления,

размеры которых ограничены и диаметр заготовок кубического нитрида

бора (сBN) не может превышать 5 мм [1], так как материал камер не

выдерживает давления синтеза образцов большего диаметра. Для

изготовления образцов диаметром больше 5 мм необходимо вводить

добавки и, как правило, это способствует снижению физико-механических

характеристик СТМ. Например, киборит-3 является композитом на основе

сBN (7075%) с добавкой AlN. Процесс изготовления материалов можно

проводить при давлении 5,0 ГПа и использовать оснастку из закаленных

инструментальных сталей вместо твердых сплавов группы ВК. В аппара-

тах такого типа удалось получить киборит-2 инструментального назначе-

ния диаметром до 32 мм, высотой до 10 мм и конструкционного

назначения диаметром до 2030 мм и высотой 1525 мм [2]. Киборит-1,

-2, -3 получают реакционным спеканием синтезированного в камерах

сверхвысокого давления порошка сBN с Al, в состав связки которых

наряду с AlN и AlВ

входит высший борид β-AlВ

[2]. Пайкой

адгезионно-активными припоями можно создать изделия требуемого

размера инструментального и конструкционного назначений, сохранив

при этом высокие физико-механическими свойства исходных

сверхтвердых материалов.

А. А. Адамовский  доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт

проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины; Н. С. Зюкин  главный

технолог, там же; В. А. Евдокимов  научный сотрудник, там же.

 А. А. Адамовский, Н. С. Зюкин, В. А. Евдокимов, 2008

Цель работы  создать из материалов на основе кубического нитрида

бора, используя адгезионно-активную пайку в вакууме, изделия

инструментального и конструкционного назначений, сохранив высокие

физико-механические параметры исходного материала.

Методика и объекты исследования

Для соединения (пайки) СТМ между собой и с державками выбрали в

качестве припоя металлический сплав на основе Cu следующего состава

(% (мас.)): 61Сu19Sn13Pb6Ti1Ni [3]. Смачиваемость СТМ

многокомпонентным припоем на основе меди исследовали методом

лежащей капли. Использовали аппаратуру и методику, описанную в

работе [4]. В качестве объектов исследования выбраны СТМ на основе

кубического нитрида бора: BN

сф

(100%) (эльбор-Р); композиты 

кубический и вюртцитный нитрид бора (BN

сф

+ 20% BN

), кубический

нитрид бора и нитрид алюминия (BN

сф

+ 30% AlN); композит

марки 05-ИТ. Поверхности СТМ, которые смачивали припоем, доводили

алмазным инструментом до шероховатости R

= 0,5 мкм. Для пайки СТМ с

державками использовали порошки металлов приведенного состава, кото-

рые дозировали весовым методом и смешивали до их равномерного

распределения. Для пайки СТМ с подложками (державками), а также

между собой припой наносили на поверхность в виде шликера или ленты.

Шликер  смесь металлических порошков в 3%-ном растворе нитро-

целлюлозы ([С

(ОNO

)

]⋅n + 3n⋅H

O) в этиловом эфире уксусной

кислоты. Для исследования смачиваемости порошки припоев прессовали в

таблетки диаметром 2 и высотой 2 мм, которые укладывали на поверх-

ность СТМ и загружали в вакуумную печь. В качестве подложки для СТМ

выбраны сталь 45 в состоянии поставки и твердый сплав марки ВК6ОМ.

Прочность на срез паяного изделия СТМподложка исследовали на прес-

совом оборудовании по схеме торецплоскость [5], а прочность на срез

припоя  по схеме кольцо [6]. Образцы композита марки 05-ИТ

(∅6,75 мм, h = 5,0 мм) шлифовали по торцам и цилиндру. Закрепляли их

припоем по цилиндрической поверхности [6] с зазором 0,1 мм в стальную

шайбу-державку (∅14х6,9 мм, h = 3,0 мм). Остальные образцы СТМ

шлифовали только по торцам. При испытании паяных образцов на

прочность фиксировали силу разрушения. Напряжения среза определяли

методом расчета. Результаты измерений обрабатывали методами

математической статистики. Микроструктуру исследовали на

микрорентгеноанализаторе в характеристическом излучении титана, меди,

серебра, свинца, никеля. Паяные образцы инструментального и

конструкционного назначений обрабатывали на станках, оснащенных

алмазными шлифовальными кругами,  плоско- и бесцентрово-

шлифовальном, заточном.

Результаты исследования и их обсуждение

Исследовали смачиваемость материалов на основе кубического нитрида

бора расплавом металлов на базе меди. Экспериментальные данные

показывают, что расплав довольно хорошо смачивает (Θ < 90

) как

Рис. 1. Смачиваемость в вакууме (23)⋅10

-3

Па материалов на основе

сф

припоем состава (% (мас.)) 61Cu19Sn13Pb6Ti1Ni: 1 

эльбор-Р; 2  BN

сф

+ 20BN

; 3  BN

сф

+ 30AlN

Fig. 1. Wetting in of materials on a basis BN

сф

by solder of composition

(% (mas.)) 61Cu19Sn13Pb6Ti1Ni in vacuum (23)·10

-3

Па:1 

borozon-Р; 2  BN

сф

+ 20BN

; 3  BN

сф

+ 30AlN

кубический нитрид бора, так и композиционные материалы на его основе,

хотя различия в углах смачивания имеют место. Известно [4], что чистая

медь не смачивает СТМ на основе BN

сф

(Θ > 90

), а расплав Cu,

содержащий поверхностно-активный металл (Ті), смачивает указанные

материалы. Исследование смачиваемости гексанита-Р адгезионно-актив-

ными сплавами [4] системы CuSnPbTi при различном соотношении

фаз BN

сф

, BN

показало, что по мере роста содержания фазы BN

образцах угол смачивания уменьшается. Улучшение смачиваемости

объясняют [4] большей химической активностью фазы BN

по сравнению

с фазой BN

сф

, что хорошо согласуется с ИК-спектрами отражения

поликристаллов на основе BN различного фазового состава. Композит на

основе BN

сф

, содержащий AlN, лучше смачивается металлическим

расплавом припоя (рис. 1). Установлено, что композит на основе BN

сф

легированный Al, содержит фазы AlN, AlВ

, β-AlВ

[2]. По-видимому, эти

фазы обладают большей химической активностью в контакте с расплавом

адгезионно-активного припоя, чем с фазой BN

сф

. Поэтому композиты

лучше смачиваются по сравнению с чистым BN

сф

Припой можно использовать в виде порошка (шликер) и в виде

прокатанной ленты. Припой в виде шликера выбранного состава

необходимо употребить после его приготовления в течение 510 мин,

поскольку по истечении указанного срока этиловый эфир уксусной

кислоты полностью испаряется и шликер “затвердевает”. Кроме того,

Т е м п е р а т у р а,

Угол смачивания

град

850 900 950

Рис. 2. Припой, прокатанный в ленту толщиной 0,2 (1) и 0,1 мм (2)

Fig. 2. Solder, rolled in a tape, thickness 0,2 (1) and 0,1 mm (2)

шликер имеет низкую плотность и в охлажденном расплаве припоя

остаются поры. С целью облегчения сборки изделий перед пайкой и

уменьшения пористости припоя после его кристаллизации смесь

порошков уплотняли на валках прокаткой в ленту (рис. 2). Лента может

храниться длительное время и всегда готова к употреблению. Цвет

прокатанной ленты припоя зависит от её толщины. Лента толщиной δ =

= 0,2 мм имеет желтый цвет меди. При толщине 0,1 мм лента имеет белый

цвет олова (рис. 2), поскольку при утонении ленты олово прокатывается

тонким слоем и покрывает частицы меди. Лента более удобна для пайки

по плоскости: заготовки проката нужного размера и формы можно

вырезать в процессе подготовки изделия перед пайкой.

Исследовали прочность на срез паяного изделия на образцах СТМ,

припаянных по торцу к плоскости державки. Результаты испытаний

показали, что прочность на срез σ

ср

изделия существенно зависит от

материала державки: большая прочность (189 ± 5,8 МПа) фиксировалась

для пары СТМсталь 45 по сравнению с парой СТМВК6ОМ (162,4 ±

± 2,3 МПа). Вероятно, это можно объяснить тем, что припой в

расплавленном виде лучше смачивает сталь 45 и хуже твердый сплав

марки ВК6ОМ, то есть большие силы адгезии припоя к стали

способствуют повышению прочности на срез паяного изделия. Кроме

того, видимо, из державки твердого сплава кобальт диффундирует в

тонкий поверхностный слой СТМ и разупрочняет его. Поэтому лучшим

материалом державки для СТМ является сталь.

В работе [5] отмечено и в настоящем исследовании подтверждено, что

при испытании образцов СТМ, припаянных по торцу, разрушение всегда

происходит по СТМ, а не по припою. Такой же характер разрушения

наблюдали при испытаниях изделий на растяжение и на срез [5]:

поверхность разрушения всегда проходила по телу поликристалла вблизи

границы раздела СТМприпой или посередине поликристалла. Авторы

работы [5] считают, что причиной разрушения поликристалла посередине

является дефект его изготовления.

Прочность припоя на срез [3] не измеряли, поскольку разрушение

всегда происходило не по припою, а по СТМ. Прочность припоя на срез

исследовали на образцах СТМ, припаянных к державке по боковой

а б

Рис. 3. Микроструктура в сечении BN

сф

припой (% (мас.)) 61Cu

19Sn13Pb6Ti1Ni в характеристическом излучении титана (а) и

меди (б)

Fig. 3. Microstructure in section BN

сф

solder (% (mas.)) 61Cu

19Sn13Pb6Ti1Ni in characteristic radiation titanium (а) and copper (б)

а б

в г

Рис. 4. Паяные изделия инструментального и конструкционного назначений на

основе BN

сф

: а  резцы; б  пластины; в  эльборовые стержни; г 

подпятники опор подшипников скольжения

Fig. 4. Brazed products of tool and constructional purpose on a basis BN

сф

: a  cutters;



plate; в



borazon rods; г



socket of the slide bearing support

сф

(100%)

Переходная

зона

(припой)

сф

(100%)

Переходная

зона

(припой)

10 мкм

поверхности цилиндра  по схеме кольцо [6]. Разрушение паяной пары

композит 05ИТсталь 45 всегда происходило по припою: припой

оставался на поликристалле (композит 05ИТ) и на державке (сталь 45), а

СТМ и сталь 45 не разрушались. Измеренная σ

ср

исследуемого припоя

составила 309 ± 8,7 МПа. Прочность на срез промышленного припоя на

основе медилатуни марки Л63 равна 322 МПа [2]. Таким образом,

прочности припоя и латуни Л63 почти равны.

Исследование микроструктуры переходной зоны СТМприпой в

характеристическом излучении показало, что титан адсорбируется на

поверхности BN

сф

(рис. 3, а), а медь распределяется по припою равно-

мерно (рис. 3, б), то есть так же, как и остальные металлы, входящие в

состав припоя: олово, свинец, никель. Следовательно, адсорбция титана на

поверхности СТМ способствует улучшению его смачивания и повышению

прочности спая соединенных материалов.

Пайкой адгезионно-активным припоем получены изделия инструмен-

тального и конструкционного назначений из BN

сф

: расточные, проходные,

резьбовые резцы и резцовые вставки, пластины на подложке из твердого

сплава (пластина квадратная) и стали (пластина шестигранная), эльбо-

ровые стержни (спаяны при помощи прокатанного припоя), эльборовые

подпятники опор подшипников скольжения (спаяны по схеме кольцо)

(рис. 4). Стержни СТМ конструкционного назначения паяли прокатанным

припоем (рис. 4). Исследования показали, что в припое отсутствуют поры,

то есть спай из прокатанного припоя получается практически без пор.

Известно [2], что поликристаллы BN

сф

в камерах сверхвысокого давления

получают длиной до 5 мм. Пайкой получены стержни длиной 100 мм и

есть технические возможности получить стержни длиной более 100 мм.

При этом толщина прослойки припоя между заготовками СТМ в стержне

равна 0,100,06 мм. Приготовили шлифы, перпендикулярно поверхности

пайки. Исследования при помощи оптического микроскопа показали, что

поры в припое отсутствуют.

Пайка СТМ инструментального и конструкционного назначений имеет

некоторые особенности. В лезвийном инструменте поликристаллы паяют

в открытый паз. Следовательно, припой смачивает поликристалл на

∼1/33/4 его поверхности: нижний торец и часть боковой поверхности.

Материалы конструкционного назначения паяют по торцам (цилиндры,

стержни) или по боковой поверхности и торцу. При пайке по боковой

поверхности материал в державке находится в сжатом состоянии, что

способствует улучшению условий его работы в узлах трения.

Выводы

Показано, что адгезионно-активным припоем в вакууме надежно

соединяются сверхтвердые материалы на основе нитрида бора между

собой и с державками из стали и твердых сплавов. Угол смачивания BN

сф

больше по сравнению с Θ композитов на его основе, то есть композиты

смачиваются лучше чистого BN

сф

Изготовлены изделия инструментального назначения, оснащенные

СТМ: резцы расточные, проходные, резьбовые (на стальной державке);

вставки, закрепленные на твердом сплаве группы ВК, ТК.

Пайкой получены модели изделий на основе СТМ конструкционного

назначения: стержни длиной 100 мм; подпятники вращающихся опор;

плоские опоры подшипников скольжения.

РЕЗЮМЕ.

Обмірювано крайовий кут змочування адгезійно-активним

припоем надтвердих матеріалів на основі кубічного нітриду бора. Кут

змочування, у залежності від температури пайки, вимірювали у вакуумі

методом лежачої краплі. Встановлено, що крайовий кут змочування

кубічного нітриду бору більше таких композиційних матеріалів на його

основі. З підвищенням температури пайки (850950

С) кут змочування

для всіх досліджених матеріалів зменшується. Виготовлено вироби

інструментального призначення (різці) і моделі виробів конструкційного

призначення (стрижні, підп’ятники, опори підшипників ковзання).

1. Новиков Н. В., Шульженко А. А., Беженар Н. П. и др. Киборит:

получение, структура, свойства, применение // Сверхтвердые материа-

лы.  2001.  № 2.  С. 4051.

2. Сверхтвердые материалы. Получение и применение: Монография в

6-ти т. / Под общ. ред. Н. В. Новикова. Т. 1: Синтез алмаза и подобных

материалов.  К.: Ин-т сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля,

ИПЦ “Алкон” НАН Украины, 2003.  320 с.

3. А. с. SU № 536905. Способ пайки твердосплавных материалов /

Ю. В. Найдич, Г. А. Колесниченко, Б. Д. Костюк, Н. С. Зюкин и др. //

Бюл.  1976.  № 44.

4. Поверхностные свойства расплавов и твердых тел и их использование

в материаловедении / Под ред. Ю. В. Найдича.  К.: Наук. думка,

1991.  280 с.

5. Найдич Ю. В., Мартиросян А. М., Колесниченко Г. А., Зюкин Н. С.

Особенности прочностных характеристик спаев сверхтвердых

инструментальных материалов на основе нитрида бора с металлами //

Адгезия расплавов и пайка материалов.  1989.  Вып. 22. 

С. 6266.

6. Петрунин И. Е., Маркова И. Ю., Екатова А. С. Металловедение пай-

ки.  М.: Металлургия, 1976.  264 с.

Поступила 01.12.08

Аdamovskyi A. А., Zyukin N. S., Еvdokimov V. А.

The brazing of super hard composite materials on a basis of boron nitride for

products of tool and constructional purpose

The wetting angle by adhesive-active solder of the superhard a material on base cubic

nitride boron is measured. The wetting angle, depending on the temperature of the

soldering, measured in vacuum by sessile drop method. It is fixed that wetting angle on

cubic boron nitride is bigger in contrast with composite materials on his base; with

increasing of the temperature of the soldering (850950

С) the wetting angle for the

all explored materials have decreases. The products for the instrumental appointment 

a cutting tool and models of products for constructional purposes such as a rods, step-

bearing, bearings, slider bearing  were produced.

УДК 621.791.3

А. В. Дуров

ПАЙКА ZrO

-КЕРАМИКИ К НИОБИЮ КОНТАКТНО-

РЕАКТИВНЫМ СПОСОБОМ ЧЕРЕЗ НИКЕЛЬ

Исследовано смачивание ZrO

-керамики никель-ниобиевой эвтектикой (Ni40,5% (ат.)

Nb, образуется при 1175 ºС)) с варьированием температуры. Краевой угол смачивания

составляет 80º. Опробован для пайки ZrO

-керамики к ниобию контактно-реактивный

способ с использованием никелевой прослойки между ниобием и керамикой. Подобрана

оптимальная температура пайки  1400 ºС. Прочность соединения  117138 МПа.

Введение

В последнее время возрастает интерес к получению соединений

керамических материалов с металлическими деталями, способных

выдерживать высокие температуры. Также предпринимаются попытки

отказаться от использования титана в качестве активной добавки к

припоям, поскольку титан слишком агрессивен и, во-первых, разрушает

части паяного соединения, во-вторых, вследствие образования большого

количества продуктов реакции титана с соединяемым материалом на

межфазной поверхности появляются развитые переходные слои, которые

могут снижать прочность спая. Перспективным для замены титана

является ниобий, он был опробован в работах [19]. В работах [13]

исследовалась пайка Al

-керамики к ниобию с прослойкой из тонкого

слоя меди, в работах [46]  диффузионная сварка Al

-керамики к

ниобию, в работе [7] — C—SiC-композита к ниобию, в работе [8] —

пропитка C—SiC-композита расплавом Ni—40,5% (ат.) Nb (эвтектика

[10]), хотя паяного соединения C—SiC-композита получить не удалось, в

работе [9] — диффузионная сварка ZrO

-монокристаллов и ниобия.

В данной работе была исследована возможность получения паяного

соединения ZrO

-керамики и металла с использованием в качестве припоя

системы никель—ниобий.

Эксперимент и обсуждение результатов

В работе использовали ниобий (пластина толщиной 2 мм ), никель

(слиток) высокой чистоты, керамику (пластинки размером 10×10×4 мм), а

также монокристаллы на основе ZrO

, стабилизированного

3,5% (ат.) Y

. Монокристаллы диоксида циркония были разрезаны на

пластинки толщиной 2 мм. Поверхность керамики и монокристаллов была

отполирована алмазной пастой дисперсностью 0,7—0,3 мкм. Опыты

проводили в вакууме 10

–3

Па.

Как уже отмечалось, в системе никельниобий присутствует

эвтектика при 1175 °С (40,5% (ат.) Nb) [10]. Были проведены опыты по

А. В. Дуров  кандидат химических наук, научный сотрудник, Институт проблем

материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины.

 А. В. Дуров, 2008

Ni-40,5 Nb

ZrO

Ni-40,5 Nb

ZrO

Рис. 1. Микрофотография переходной области

ZrO

Ni40,5% (ат.) Nb, ×1000

Fig. 1. The microphotography of ZrO

Ni

40,5% (at.) Nb transient zone, ×1000

смачиванию монокристаллического ZrO

этим эвтектическим расплавом

при температурах от образования эвтектики (1175 ºС) до 1700 °С, краевой

угол смачивания составил около 80°. На рис. 1 представлена

микрофотография шлифа капли Ni40,5% (ат.) Nb, застывшей на

подложке из монокристаллического ZrO

в области контакта ZrO



металл. Формирования развитых переходных слоев не наблюдается.

Очевидно, реакция на межфазной границе проходит со значительно

меньшей интенсивностью, чем для припоев, содержащих титан.

Поскольку для достижения смачивания оксидов расплавами с ниобием

необходимо использовать составы с высоким содержанием ниобия,

логично применять контактно-реактивный метод пайки. В этом случае

между соединяемыми тугоплавкими материалами располагается тонкая

прослойка, которая образует с одним из материалов легкоплавкую

жидкую фазу, чем и обеспечивается пайка.

В нашем случае никель был прокатан до толщины 0,25 мм, из ниобия и

прокатанного никеля вырезали пластинки размером 5×5 мм. Никелевую

пластинку располагали на поверхности керамики, сверху укладывали

ниобиевый образец, сборку нагружали вольфрамовым грузом и проводили

нагревание в вакууме. При 1175 ºС образуется эвтектика между никелем и

ниобием, то есть активный элемент (ниобий) поставляется в припойный

расплав за счет растворения ниобиевой части соединения.

После пайки испытывали прочность соединений при сдвиге. Самые

прочные соединения были получены при 1400 °С, прочность составила

117138 МПа, разрушение происходило по слою припоя (очевидно,

вследствие формирования хрупких интерметаллидов). График Вейбулла

для полученных значений прочности приведен на рис. 2.

Для других температур (1200, 1300, 1500 и 1600 °С) прочность

соединений составила около 50 МПа. На рис. 3 представлена фотография

макета натурной детали  трубка из ZrO

-керамики, припаянная к

ниобию контактно-реактивным способом через никель.

σσ

, МПа

140

135130125120

ln(ln(1/(1-P))) = 16,909 ln

- 82,292

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0,5

1,5

4,75 4,8 4,85 4,9 4,95

σσ

ln(ln(1/(1-P)))

Рис. 2. График Вейбулла для прочности при сдвиге соединений

ниобия и ZrO

-керамики, паянных контактно-реактивным

способом через никель, температура пайки  1400 ºС

Fig. 2. The Weibull plot for shear strength of columbium and ZrO

ceramic brazed joints brazed by contact-reactive method through the

nickel  1400 ºС

Рис. 3. Макет натурного соединения ZrO

керамики с ниобием, полученного контактно-

реактивным способом через никель

Fig. 3. The model of mockup ZrO

-ceramic to

columbium joint obtained by contact-reactive

method through the nickel

Выводы

В результате проведенных исследований разработан метод пайки ZrO

керамики к ниобию, который позволяет получать достаточно прочные

паяные соединения.

РЕЗЮМЕ. Досліджено змочування ZrО

-кераміки нікель-ніобиевой

евтектикой (Ni40,5% (ат.) Nb, утвориться при 1175 ºС)) з варіюванням

температури. Крайовий кут змочування складає 80º. Випробуваний для

пайки ZrО

-кераміки до ніобію контактно-реактивний спосіб з використан-

ням нікелевого прошарку між ніобієм і керамікою. Підібрано оптимальну

температуру пайки  1400 °С. Міцність з’єднання  117138 МПа.