Способ контактно-реактивной пайки сталей

 

Использование: в различных отраслях машиностроения при изготовлении биметаллического режущего, штампового инструмента и других изделий. Сущность изобретения: в предлагаемом способе поверхность стальной промежуточной прокладки или поверхность одной из соединяемых деталей перед пайкой борируют, затем химическим путем наносят слой высокофосфористого никель-фосфорного металлического покрытия, после чего производят пайку поверхности.

Изобретение относится к пайке, в частности к способу контактно-реактивной пайки сталей, и может быть использовано в различных отраслях промышленности при изготовлении биметаллического режущего, штампового инструмента и других изделий.

Известен способ контактно-реактивной пайки сталей, при котором по крайней мере одну из соединяемых поверхностей подвергают предварительной термохимической обработке борированию для получения слоя высокобористого сплава, который используют в качестве припоя [1] Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ контактно-реактивной пайки, при котором на борированный слой наносят покрытие из меди [2] При контактно-реактивной пайке быстрорежущих сталей с конструкционными по данному способу одновременная диффузия меди и бора замедляет скорости диффузии, особенно бора, из-за чего уменьшается рост зерна аустенита и количество хрупких боридных соединений в диффузионной зоне. Это и присутствие меди значительно повышают пластичность и уменьшают склонность паяного соединения к хрупкому разрушению (образованию трещин).

Недостатками указанного способа являются необходимость использования при пайке защитных сред или активно действующих флюсов, ограниченная растворимость бора в меди и меди в железе, и низкие самофлюсующие свойства образующейся жидкой фазы припоя и недостаточная ее активность.

Сущность предлагаемого изобретения достигается тем, что на стальную борированную прокладку или на одну из борированных поверхностей паяемых деталей перед пайкой в качестве материала покрытия наносят химическим путем высокофосфористый никелевый сплав.

Высокофосфористый никелевый сплав, нанесенный химическим путем на стальную борированную прокладку, представляет собой систему, состоящую из твердого раствора фосфора в никеле и фосфидов никеля (Ni₃P). Совместное контактное плавление боридов железа и фосфидов никеля позволяет получить высокобористую, высокофосфористую железо-никелевую фазу, выполняющую функцию припоя с высокой активностью и высокими самофлюсующими свойствами. Использование в качестве припоя высокобористой, высокофосфористой железоникелевой жидкой фазы обеспечивает меньшую эрозию при пайке сталей, высокие пластические свойства и прочность, что особенно важно для работы паяного режущего и штампового инструмента.

В основе нанесения высокофосфористого никелевого покрытия химическим путем лежит реакция восстановления иона никеля до металла с применением в качестве восстановителя, например, гипофосфита натрия.

Для получения в жидкой фазе припое высоких концентраций никеля и повышения пластичности соединений необходимо, чтобы наносимое покрытие было равно или превышало толщину борированного слоя.

Необходимое количество жидкой фазы припоя, достаточное для контактно-реактивной пайки биметаллического инструмента, обеспечивается при толщине высокобористого и никель-фосфористого слоев соответственно от 0,015 до 0,1 мм. Меньшая толщина наносимых слоев используется при высоких температурах пайки-закалки (1200-1300^оС), а большая наоборот при меньших температурах пайки-закалки инструмента (1100-1200^оС).

Таким образом, в предлагаемом изобретении решается задача увеличения диапазона допустимых температур пайки-закалки, повышения пластических и прочностных свойств паяного соединения, а также самофлюсования спаев.

Способ контактно-реактивной пайки осуществляется следующим образом.

Перед пайкой биметаллического инструмента берут стальные борированные прокладки с нанесенным на них высокофосфористым никелевым сплавом, после чего паяемые детали собирают через прокладки и нагревают при температурах, соответствующих температурам нагрева для закалки быстрорежущего или штампового инструмента. При пайке-закалке с температур 1050-1100^оС и выше высокобористый, высокофосфористый железоникелевый сплав полностью расплавляется, самофлюсует спай, смачивает соединяемые детали и формирует высококачественное соединение, в том числе без использования защитной среды или флюса. В целях улучшения формирования соединения при сборке под пайку или в процессе необходимо сжатие паяемых деталей. После пайки и нагрева для закалки биметаллический паяный инструмент охлаждают, затем подвергают отпуску, очистке и окончательной механической обработке.

При контактно-реактивной пайке быстрорежущих и штамповых сталей с конструкционными по предлагаемому способу, в том числе при пайке в индукторе без использования флюса, обеспечиваются более высокие прочностные и пластические характеристики паяных соединений, устраняются дефекты в виде пор, непропоев и трещин, в результате чего улучшаются стойкость инструмента и повышается срок его службы.

П р и м е р. Листы низкоуглеродистой ленты Ст08пс толщиной 0,5 мм борируют в контейнере с плавким затвором в порошке карбида бора (B₄C). Борирование ведут в цементационной печи при 925^оС с выдержкой 3 ч. Глубина борированного слоя 0,06 мм. Борированные листы очищают, обезжиривают, декапируют в 5-10% -ной соляной кислоте, затем промывают в воде и сушат. На борированный слой химическим путем наносят высокофосфористый никелевый сплав. Для нанесения сплава применяют состав: серная кислота (уд. масса 1,84) 0,4 мл/л; ацетат натрия 10 г/л; никель сернокислый 20 г/л; гипофосфит натрия 10 г/л; рН 5,3-5,5. Листы завешивают в ванне с раствором, который подогревают на водяной бане с температурой 80-90^оС. Скорость покрытия 10-15 мкм/ч при плотности загрузки 1 дм²/л. Получаемая толщина покрытия 0,06-0,08 мм.

При контактно-реактивной пайке резцов материал режущих пластинок сталь 11РЗАМЗФ2 державок Ст 4ХС. Размер режущих пластинок 16 х 8 х 20 мм, державок 16 х 25 х 150 мм. Режущие пластинки и промежуточные прокладки, вырезанные из листов соответствующего размера, устанавливают в пазы державок и фиксируют скруткой стальной проволокой. Число резцов в партии для пайки 50 шт. Двадцать пять резцов паяли с нагревом в индукторе, остальные резцы в соляной печи-ванне по режиму. Подогрев резцов осуществляли в хлористо-натриевой ванне при 850-860^оС, затем проводили пайку совмещенную с нагревом для закалки резцов в хлористо-бариевой ванне при 1175-1180^оС с выдержкой 3,5 мин. Затем проходила закалка резцов в масло, как после нагрева в индукторе, так и после нагрева в соляной ванне, отпуска резцов 2 раза по 1 ч при 550^оС, очистка резцов и окончательная заточка. Твердость режущих пластинок 63-65 HRCэ, твердость державок 32-34 HRCэ. Внешним осмотром паяных резцов установлена надежная связь между быстрорежущими пластинками и державками как после пайки в индукторе, в том числе без использования флюса, так и после пайки в хлористо-бариевой печи-ванне. При микроструктурном исследовании паяных соединений резцов не обнаружено трещин, непропаев или других дефектов.

Микротвердость паяных соединений в контакте с быстрорежущими пластинками снижена с HV 820-950 кгс/мм² до HV 380-420 кгс/мм² при переходе от контактно-реактивной пайки (авт. св. N 406662) к предлагаемому способу, что устранило хрупкость, повысило пластичность и трещиноустойчивость соединений.

Использование способа контактно-реактивной пайки сталей через стальные борированные прокладки или через борированную поверхность одной из соединяемых деталей с нанесенным на них высокофосфористым никелевым сплавом не приводит к охрупчиванию быстрорежущей стали в зоне соединения, повышает пластичность металла шва, обеспечивает полный пропай соединений при нагреве в различных средах, в том числе в широком диапазоне температур пайки-закалки (1100-1300^оС), за счет чего устраняется брак и повышается качество паяного биметаллического инструмента.

Способ может найти применение на любом заводе, изготовляющем биметаллический паяный инструмент из новых низко- и безвольфрамовых быстрорежущих сталей, порошковых быстрорежущих сталей, сталей нормальной производительности типа Р6М5, Р18, а также высокопроизводительных быстрорежущих сталей.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТАКТНО-РЕАКТИВНОЙ ПАЙКИ СТАЛЕЙ, включающий борирование по крайней мере одной из соединяемых поверхностей, нанесение покрытия на борированный слой, нагрев под пайку, совмещенную с закалкой, отличающийся тем, что в качестве покрытия берут высокофосфористый никелевый сплав, наносимый химическим путем.