МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПАЙКИ ТС И ТЕХНОЛОГИИ
Введение
Несмотря на расширение производства твердосплавного инструмента с механическим креплением режущих пластин, доля паяного инструмента остается значительной.
Около 10-15% металлорежущего инструмента теряется из-за образования трещин в твердом сплаве при пайке и заточке инструмента. Это обусловлено как резким различием физико-механических свойств соединяемых материалов режущей части и корпуса, так и недостаточно ответственным отношением к процессу пайки, основанному на его кажущейся простоте, а именно нарушением правил соединения разнородных материалов с помощью пайки.
Основная причина, вызывающая преждевременные поломки твердосплавного паяного инструмента – остаточные напряжения, обусловленные различными изменениями размеров твердого сплава и стали при охлаждении после пайки. Уменьшение этих напряжений в твердом сплаве является большим резервом повышения качества инструмента. Для снижения напряжений необходимо правильно выбирать конструкцию паяного соединения, материал корпуса, припой, способ и режим пайки.
В данной работе приведены сведения о конструктивных особенностях паяных соединений твердых сплавов со сталями, требования к подготовке режущих элементов и корпусов к пайке, даны рекомендации по выбору способов пайки в зависимости от вида инструмента.
Металлорежущий инструмент, оснащенный режущими элементами из твердого сплава делят на резцы, фрезы, инструмент для обработки отверстий, резьбонарезной, зубонарезной, протяжки.
С позиции технологии производства инструмент подразделяется на:
· однолезвийный;
· многолезвийный;
· с цельной рабочей частью из твердого сплава;
· с припаянным стальным хвостовиком.
1. Основные материалы
Спеченные ТС
Спеченные твердые сплавы, выпускаемые отечественной промышленностью и зарубежными фирмами, по содержанию основных компонентов делятся на вольфрамовые, титано-вольфрамовые, титано-тантало-вольфрамовые и безвольфрамовые, а в зависимости от основных обрабатываемых материалов в соответствии с рекомендациями ИСО. В отечественной промышленности в основном находят применение группы твердых сплавов ВК, ТК и ТТК.
Корпуса
В соответствии с требованиями к механическим свойствам корпусов твердосплавный инструмент может быть подразделен на три группы:
· инструмент без особых требований к физико-механическим свойствам корпуса;
· инструмент регламентированной высокой твердостью корпуса, например, не ниже HRC 40-45;
· инструмент с высокой ударной вязкостью (например, ан>78-104 Дж/м2) и твердостью (например, HRC 30-40).
Заданные физико-механические свойства корпуса получают выбором марки стали, технологией пайки и термической обработки, предшествующей, совмещенной или следующей за операцией пайки. Предпочтительные марки сталей, рекомендуемые для изготовления корпусов инструмента, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Марки сталей для корпусов некоторых видов паяного твердосплавного инструмента
|
Вид инструмента |
Марка стали |
ГОСТ |
|
Резцы, ножи к сборным фрезам и др. |
35ХГСА 45 40Х |
4543-71 1050-74 4543-71 |
|
Отрезные резцы |
35ХГСА 9ХС 40Х |
4543-71 5950-73 4543-71 |
|
Концевой инструмент (сверла, зенкеры, развертки) |
35ХГСА 9ХС |
4543-71 5950-73 |
|
Фрезы |
35ХГСА |
4543-71 |
|
Дисковые пилы для обработки древесных материалов |
50ХФА 9ХФ |
14959-79 5950-73 |
Припои
В данных рекомендациях будут рассматриваться только материалы, производимые ЗАО «АЛАРМ» (Россия), которые не содержат в своем составе серебра. Применение материалов с серебром и других составов может иметь некоторые особенности, однако существенной разницы в применении нет.
Современные инструментальные припои производятся и применяются в виде ленты, проволоки, порошка, пасты и прессованных форм (рис. 1). Припои в виде ленты бывают однослойными и многослойными.
Рис. 1 Классификация инструментальных припоев по форме изготовления
Использование припоев при пайке на воздухе всегда требует применения флюса, который может подаваться отдельно или входить в состав припоя (например, пасты и смеси). Паяльная смесь с флюсом представляет собой смесь порошка припоя и флюса в соотношении 85-15%.
Паста представляет собой смесь трех компонентов: припоя (не менее 65%), флюса и органического связующего, которое должно выгореть в процессе нагрева припоя.
Таблетизированный припой представляет собой сформованный закладной элемент в виде таблетки или кольца из порошка припоя. Флюс рекомендуется применять отдельно в виде пасты для избежания коррозии материала припоя в процессе хранения и транспортировки.
Выбор вида припоя по форме поставки определяется конструктивными особенностями инструмента, способом пайки, технологическими и техническими возможностями предприятия – изготовителя инструмента.
Важным фактором подготовки технологического процесса пайки является правильный выбор марки припоя в зависимости от величины и вида эксплуатационных нагрузок инструмента (характера эксплуатации), размеров и формы режущих элементов, марки твердого сплава, способа пайки, допустимой температуры нагрева твердого сплава или стали корпуса.
Припои могут быть следующих марок:
МНМц68-4-2, поставляемый в виде паст ПП МНМц68-4-2 и смесей ПС МНМц68-4-2. Также может быть изготовлен в виде таблеток массой 1 г. Температура плавления припоя составляет 915-975°C, температура пайки самая высокая около 1000°C. Применяется традиционно для металлорежущего инструмента, работающего при повышенных температурах и высоких нагрузках. Отличается высоким уровнем остаточных напряжений в паяном шве. Возможные флюсы: ПВ200, ФП-1 и ФК260
ЛНМц49-9-0,2, поставляемый в виде паст ПП ЛНМц49-9-0,2 и смесей ПС ЛНМц49-9-0,2. Температура плавления 910-955°C, пайки 960-980°C. Также применяется в виде таблеток массой 1 и 2 г. Отличается высокой прочностью и самой высокой ударной вязкостью благодаря высокому содержанию никеля. Применяется при изготовлении высоконагруженного инструмента, в том числе, горнодобывающего. Применяется при пайке мартенситных сталей с твердыми сплавами, когда термообработка совмещена с процессом пайки. Возможные флюсы: ПВ200, ФП-1 и ФК260.
П63 в виде пасты ПП63 и смеси ПС63. Припой основан на латуни Л63 с дополнительным легированием никелем и марганцем, что повышает прочность паяных швов по сравнению с пайкой обычной латунью. Температура плавления 900-920°C, пайки 950-980°C. Для обычного малонагруженного и средненагруженного инструмента взамен обычной латуни. Возможные флюсы: ПВ200, ФП-1 и ФК260.
П47 в виде проволоки 1,5-2 мм, ленты 10-20х0,5 мм, пасты ПП47 и смеси ПС47. Применяется для мало- и средненагруженного инструмента. Отличается самой низкой температурой плавления 765-830°C и пайки 850-900°C. Оставляет высокие напряжения в паяном соединении, поэтому особое внимание необходимо уделять паяльному зазору, который должен быть не ниже 0,2 мм. При соблюдении требований к зазору хорошо подходит для пайки твердый сплавов группы ТК, снижает появление трещин после пайки. Рекомендуемый флюс ФК-250.
Флюсы
Для пайки твердых сплавов рекомендуется применять флюсы в виде флюсовой пасты или в составе паяльных смесей и паяльных паст для исключения непосредственного влияния мелкодисперсного порошка химических реагентов флюса на организм человека. Для пайки высокотемпературными припоями (температура пайки более 900°C) рекомендуется использовать пасту ФП-1, порошок ФК-260 и ПВ200. Для пайки серебряными припоями и припоем П47 рекомендуется использовать пасту ФКП-250 на основе флюса ФК-250. Пасты флюсов готовятся по специальной технологии на водной основе с добавками поверхностно-активных веществ для улучшения смачиваемости и намазывания, поэтому рекомендуется приобретать пасту изготовителя в отличии от попытки приготовить ее самостоятельно на основе порошковых флюсов. Применение паст позволяет добиться более равномерного нанесения флюса на соединяемые деталей и более равномерного его плавления по всей поверхности нанесения, не снижая производительности процесса сборки инструмента, обеспечить экономный расход флюса, исключить загрязнение рук и одежды не безвредным порошком химических соединений боратов и фторидов щелочных металлов.
2. Выбор способа пайки и оборудования
Методы пайки сочетают в себе возможности повышения производительности процессов изготовления составного инструмента, обеспечения заданного уровня свойств инструментальных материалов путем сочетания термической обработки с операцией пайки.
Большое значение имеет вопрос выбора способа и оборудования, обеспечивающего необходимую производительность процесса, удобство и надежность эксплуатации и контроль параметров пайки. Правильный выбор оборудования и способа пайки обеспечивает достижение оптимальных условий формирование прочного шва, исключение высокого уровня остаточных напряжений, а, следовательно, увеличение срока службы и надежность инструмента в процессе его эксплуатации.
При пайке инструмента используют готовые припои, поэтому способы пайки обычно классифицируют по способу нагрева. В свою очередь эти способы подразделяют по методам защиты паяных соединений от окисления в процессе пайки, а также их выбор зависит от масштаба планируемого производства, т.е. будет ли оно мелкосерийным при большом разнообразии продукции или крупносерийное производство однотипного инструмента (таблица 2.)
Таблица 2.
Классификация способов пайки твердосплавного инструмента
|
Оборудование |
Инструмент |
Характер производства |
|
Печи непрерывного действия с защитной атмосферой |
Все виды инструмента за исключением крупногабаритных резцов отрезных фрез |
Массовое, крупные серии, мелкие серии разных видов инструмента при большом объеме производства |
|
Камерные печи с защитной атмосферой, контейнеры с защитной атмосферой |
Все виды инструмента за исключением крупногабаритных резцов отрезных фрез |
Мелкосерийное, штучное |
|
Индукционные установки с рабочей частотой 2 – 66 кГц |
Крупногабаритные и отрезные резцы, буровой инструмент, дорожные фрезы |
Любое |
|
Индукционные установки с рабочей частотой 66-440 кГц |
Отрезные резцы, отрезные фрезы с толщиной корпуса не более 4 мм |
Любое |
|
Электроконтактные установки |
Дисковые пилы и фрезы для обработки |
Любое |
|
Газовые горелки |
Негабаритный инструмент |
Мелкосерийное, штучное производство, ремонт |
Ручная пайка газовой горелкой находит применение только при штучном изготовлении твердосплавного инструмента малого сечения (дисковые пилы, фрезы, сверла), при пайке ленточных пил, а также при ремонте инструмента в условиях потребителя. Процесс обеспечивает качество только при высокой квалификации паяльщика. Степень механизации - низкая. Предпочтительные зазоры - от нулевого до 0,5 мм. Оборудование - газопламенные горелки, работающие на ацетилене, пропане. Продолжительность пайки - не более 3 мин (иначе трудно удалить остатки флюса). Производительность - низкая. В последнее время с распространением водородно-кислородных (электролизных) сварочных установок появилась возможность осуществления более качественного процесса пайки. Указанные аппараты «ЛИГА» позволяют локализовать высокоэнергетический нагрев и исключить появление широких зон температурного влияния. Кроме того, электролизные горелки обеспечивают высокую скорость разогрева деталей, что позволяет сократить время пайки. Для устранения сильного оксидирования паяемых деталей в горящую смесь могут добавляться насыщенные углеводороды, обеспечивающие создание восстановительного пламени.
При пайке газовой горелкой припой чаще всего наносится со стороны в виде прутка или проволоки. Применение паст и смесей ограничено из-за возможности попадания открытого пламени на порошковые композиции, что может приводить к значительному перегреву и угару припоя из-за его низкой теплопроводности в дисперсном состоянии и слабого теплового контакта с корпусом инструмента. Альтернативой для припоя в виде проволоки или прутка может быть закладной элемент в виде ленты или прессованная таблетка припоя. Флюс в зону пайке лучше всего вводить заранее в виде пасты. Этот способ флюсования позволяет избежать потери флюса в результате увлечения его потоком газового пламени, повысить экологичность процесса и обеспечить оптимальный расход флюса для гарантированного растекания припоя и заполнения зазора.
Индукционная пайка является самым распространенным способом изготовления твердосплавного инструмента как при мелкосерийном производстве и штучной пайке, так и при крупносерийном производстве. В силу сложившихся традиций основную долю оборудования для пайки твердосплавного инструмента составляют установки индукционного нагрева ТВЧ.
Интенсивность индукционного нагрева зависит от электрических данных, обусловленных характеристиками генератора и индуктора (частоты тока, напряженности поля, эффекта близости и т.д.), и физико-химических свойств инструментальных и конструкционных материалов. С повышением частоты тока генератора резко уменьшается глубина проникновения тока в паяемый материал, т.е. увеличивается градиент температур на его поверхности и в глубине.
Теплопроводность твердого сплава вольфрамовой группы в 1,5 раза выше теплопроводности конструкционной стали и в 3 раза выше теплопроводности твердых сплавов титановольфрамовой группы. С повышением содержания кобальта она несколько возрастает. Удельное электросопротивление твердых сплавов титановольфрамовой группы в 2 раза выше, чем у твердых сплавов вольфрамовой группы, а температуропроводность твердого сплава группы ТК в 3,5 раза меньше, чем у твердого сплава ВК группы. Этим объясняется низкая термостойкость твердого сплава титановольфрамовой группы по сравнению с вольфрамовой. На практике это проявляется в появлении трещин в инструменте с использованием твердых сплавов ТК групп. Данные материалы требуют соблюдать условия равномерного плавного нагрева и охлаждения инструмента в процессе пайки.
Главное, в процессе пайки не допускать полосчатого нагрева твердого сплава, особенно ТК группы, что может привести к появлению трещин в инструменте. Наиболее универсальными в настоящее время являются генераторы ТВЧ с частотой от 10 до 66 кГц. Для мелких изделий могут применяться и более высокие значения частоты, однако возникают определенные технологические трудности с управлением равномерным нагревом, что приводит к потере производительности процесса и возникновению критических остаточных напряжений. Современные установки ТВЧ нагрева могут комплектоваться программатором с контроллером, которые позволяют обеспечить прогрев изделий с высокой равномерностью по заданной программе, со скоростью, соответствующей скорости отвода тепла во внутренние слои материалов. Оптимальной скоростью нагрева считается 40-100°С/с, что, кроме всего сказанного, достигается правильным выбором зазора между деталями и индуктором (8-15 мм). Малые зазоры приводят к появлению полосчатого нагрева. Применение ступенчатого нагрева, управление режимом охлаждения паяного инструмента позволяют достичь высокого качества и надежности инструмента.
Пайка электросопротивлением в основном применяется для закрепления пластинок твердого сплава на зубьях дисковых пил для деревообработки. Применяется также для пайки и ремонта дисковых металлорежущих фрез с ограниченной толщиной корпуса (до 5 мм). Пайка сопротивлением с прямым и косвенным нагревом нашла также применение при пайке ленточных пил. Степень механизации процесса невысокая. Оборудование для пайки дисковых твердосплавных пил и фрез - специализированное.
Преимущества способа при пайке дисковых пил и фрез заключаются в локальном нагреве части зуба, несущего твердосплавную пластину, что предохраняет от коробления корпус, имеющий, как правило, твердость после термообработки перед пайкой около 40 HRC. Коробление начинается при взаимном перекрывании зон термического влияния при нагреве соседних зубьев.
Недостатком способа можно считать необходимость зачистки опорного электрода перед каждой пайкой. Сборку соединения осуществляют непосредственно в процессе пайки, устанавливая твердосплавную пластину на электрод-фиксатор с нанесенным флюсом - пастой. Припой в данном случае может вводиться со стороны или использоваться в виде закладного отрезка, устанавливаемого под твердосплавную пластину. Чаще всего припой вводят со стороны по причине возникновения искрения из-за неоднородности электрического контакта в начале процесса пайки. В некоторых случаях формируется специально клиновой зазор для обеспечения формирования полноценного паяного шва. Так как припой может вводиться со стороны, то форма его может быть ленточной или проволочной. Флюс в последнем случае наносится на предварительно разогретый участок проволоки припоя.
Недостатком способа можно считать необходимость зачистки опорного электрода перед каждой пайкой и ограниченность области применения.
Пайка в печах в данных Рекомендациях не рассматривается в связи с тем, что за последнее десятилетие произошло такое значительное снижение потребности в инструменте, что рассуждать об организации производства в печах непрерывного действия неуместно. Единственно, что может быть реализовано, это дополнительное использование этих печей для заказов по пайке инструмента на предприятиях, использующих это оборудование не в полную силу.
При необходимости реализовать мелкосерийное производство паяного инструмента, различного сортамента, можно реализовать процесс пайки в камерных печах с защитной атмосферой или, что более перспективно, с помощью контейнерной пайки. Использование контейнеров позволяет проводить процесс аналогично пайке в печах непрерывного действия. Данный способ имеет более широкие возможности в выборе атмосферы - от восстановительной до защитной. Особенно целесообразно применение печной пайки в случае изготовления тонкостенного многолезвийного инструмента и инструмента, в котором количество твердого сплава велико относительно массы корпуса.
Припой при печной пайке можно использовать в виде пасты, закладных элементов в виде высечки ленты или прессованных таблеток, также возможно применение порошковых смесей. В целом, выбор вида припоя при печной пайке определяется конструкцией инструмента и необходимостью исключить возможность выпадения припоя из зоны соединения, так как процесс пайки осуществляется без визуального наблюдения, и нет возможности вмешаться в процесс как в случае индукционной пайки.
Несмотря на наличие такого количества вариантов осуществления процесса пайки и многообразия оборудования, наиболее часто встречаемый способ изготовления инструмента - это индукционная пайка. Поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделяться именно этому способу пайки инструмента, рассмотрены основные принципы подготовки его к пайке, размещению припоя и флюса, позиционированию изделия в индукторе.
3. Подготовка твердосплавных пластин к пайке
Подготовка поверхности твердых сплавов группы WC— Со с большим содержанием кобальта не требуется, так как их поверхности хорошо смачиваются расплавленным припоем без какой-либо специальной обработки. Наряду с этим малокобальтовые твердые сплавы группы WC—Со и сплавы группы WC—TiC—Со не всегда хорошо смачиваются расплавленным припоем, поэтому при их пайке следует использовать высокоактивные флюсы марок ФП-1, ФК-260, ФК-250, содержащих в своем составе небольшое количество фторборатных комплексов.
Однако при появлении загрязнений на поверхности твердосплавных пластин в виде окислов, графитовых включений, предварительную обработку все же следует провести. Дефектные поверхностные слои удаляют различными способами: шлифованием, галтовкой в абразивных средах. Следует учитывать и то, что шлифование на алмазных кругах, удаляя дефектные слои, повышает стойкость твердого сплава минимум в два раза. Все операции по предварительной обработке пластин твердого сплава производить до очистки опорных поверхностей.
Острые углы на пластинах твердого сплава и дефекты прессования: вспучивания, выкрашивания (ГОСТ 2209-90) должны быть удалены при помощи выполнения фасок или зачистки. Пластины, имеющие коробление, должны быть подвергнуты шлифованию. Паяемые поверхности должны быть очищены, зачищены от окислов путем зачистки на алмазном круге. Разрыв между очисткой и пайкой не должен превышать 2…3 суток. Трещины, сколы и завалы на пластинах твердого сплава не допускаются.
Пластины твердого сплава и корпуса державок не должны иметь следов ржавчины, окислов, масел и других загрязнений. Они удаляются с помощью обезжиривания в растворах органических растворителей или в обычных ваннах для обезжиривания с последующей сушкой. При выполнении пайки с компенсирующими прокладками, гнезда державок необходимо занижать на 0,3…0,8 мм. Чистота паяемых поверхностей пластин твердого сплава должна быть в пределах 6…8 класса ( 1,6√…0,4√ ).
При пайке твердосплавных пластин в открытый паз величина свисания твердосплавной пластины не должна превышать 0,5—0,8 мм. Большее свисание, особенно в случае пайки твердых сплавов группы WC—TiC—Со и WC—Со с малым содержанием кобальта, вызывает образование трещин в пластинах твердого сплава при заточке. Это связано с нагревом выступающей части пластины твердого сплава при заточке.
Отклонение от прямолинейности не должно превышать ± 0,05 мм. Допустимое коробление пластин <0,04 мм.
Контроль взаимной подгонки пластин твердого сплава и пазов державок выполняется 1…3% единиц инструмента от партии, но не менее 5 штук. Контроль осуществляется визуально или при помощи щупа.
Для хорошего прилегания твердосплавной пластины к опорной поверхности паза корпуса у большинства типоразмеров предусмотрена фаска. В тех случаях, где фаска отсутствует, необходимо ее снять (рис. 2).
Рис. 2 Формирование фасок на опорной поверхности твердосплавных пластин: а) - резец, б) – фреза.
4. Подготовка корпуса инструмента к пайке
Опорная (паяемая) поверхность паза в корпусе инструмента должна быть плоской, чтобы паяльный зазор (с учетом неплоскостности твердосплавной пластины) не выходил за пределы 0,2 мм, максимум 0,3 мм, так как при большей величине зазора при капиллярной пайке в массовом производстве неизбежны непропаи. Чистота паяемых поверхностей державки резца должна быть в пределах 4…6 класса (6,3√…1,6√ ).В гнездах инструмента, подлежащих пайке, не допускается загрязнений окалины и следов масла или эмульсии. Поэтому корпуса инструмента после фрезеровки пазов должны храниться в чистом сухом помещении, исключающем загрязнение и образование окисной пленки.
Поверхности державок резцов, подвергаемые пайке, не должны иметь забоин, трещин, заусенцев и завалов, мешающих плотному прилеганию пластин твердого сплава. Литейные поры, раковины и недоливы в зоне пайки не допускаются. Державки с такими дефектами бракуются.
Перед пайкой корпуса инструментов должны обезжириваться в 10—15%-ном водном растворе каустической соды, нагретой до температуры 80—90°С, в течение 10— 15 мин, затем промываться в горячей воде при 80—90° С в течение 15 мин и сушиться в потоке горячего воздуха. Корпуса инструмента обезжиривают в специальных ваннах и сушильной установке, предусмотренных специально для этой цели. Для обезжиривания корпуса инструмента помещают в корзину, которую с помощью тельфера погружают в ванну с водным раствором каустической соды, затем в ванну с горячей водой, после чего передают на сушильную установку. При небольших сериях инструмента державки можно обезжирить при помощи органических растворителей.
Качество обезжиривания проверяют, смачивая поверхность корпуса инструмента водой. Если вода покрывает поверхность ровной пленкой - обезжиривание хорошее; если вода собирается каплями - поверхность не обезжирена.
Хранение обезжиренных корпусов инструмента должно проводиться в сухом, чистом помещении не болеет 5—10 суток.
5. Подготовка припоя и флюса к пайке
Припой в виде ленты разрезать на куски в соответствии с площадью и конфигурацией паяемой поверхности. При использовании таблетизированного припоя необходимо поделить таблетки на части в случае малых размеров деталей.
Припой в виде паяльной пасты осмотреть на предмет расслаивания и обязательно перед применением перемешать вручную или с помощью механической мешалки. Также перемешивание осуществлять перед помещением пастообразного припоя в шприц для автоматической дозировки с помощью пневмодозатора.
Паяльная смесь предварительной подготовки не требует.
Пасту флюса ФП-1 также проверить на предмет наличия расслоения и перед применением обязательно тщательно перемешать вручную или механической мешалкой.
6. Сборка инструмента под пайку
Размещение твердого сплава
Гнездо под пайку в корпусе инструмента должно точно соответствовать пластине твердого сплава. При пайке в закрытый паз размеры гнезда должны обеспечивать заданные технологической инструкцией величины паяльных зазоров. Пластины твердого сплава выпускаются с определенными допусками по толщине, поэтому их следует сортировать на группы и для каждой группы подготавливать корпуса инструмента с соответствующими размерами пазов.
Пайка твердосплавных пластин в открытый паз должна производиться по одной плоскости, так как пайка по двум плоскостям вызывает дополнительные остаточные паяльные напряжения. При пайке твердосплавной пластины по одной плоскости, возможно, ее смещение, поэтому практически при пайке в открытый паз (например, токарных резцов) следует оставлять уступ высотой 1,5— 3 мм для фиксации пластины твердого сплава (рис. 3).
Рис. 3 Сборка токарного резца с открытым пазом
При капиллярной пайке без промежуточных прокладок всегда следует стремиться к получению паяного шва максимальной толщины. В этом случае величина паяльных зазоров ограничена возможностью их качественного заполнения припоем. При паяльных зазорах, больших, чем 0,3 мм, их качественное заполнение за счет капиллярных сил затруднено, следовательно, качество паяного шва снижается. Уменьшение толщины паяного шва приводит к увеличению остаточных паяльных напряжений в твердом сплаве и их концентрации, поэтому практически при капиллярной пайке оптимальная, толщина паяного шва лежит в пределах от 0,1 до 0,25 мм.|
Сборка инструмента под пайку включает установку пластины твердого сплава в гнездо инструмента, ее укрепление в гнезде (это делают не всегда), дозировку припоя, нанесение флюса, фиксацию паяльных зазоров (если их величина более 0,1) и в некоторых случаях, когда паяльные зазоры больше 0,2—0,3 мм, укрепление специальных технологических накладок, препятствующих вытеканию припоя из паяльного зазора.
При пайке таких инструментов, как токарные резцы, операция сборки обычно проводится паяльщиком одновременно с пайкой. Паяльщик, например, наносит в гнездо пасту флюса, укладывает заранее нарезанный кусочек листового припоя, вновь наносит флюс, устанавливает пластину твердого сплава и помещает резец в индуктор работающей высокочастотной установки.
После расплавления припоя и его растекания паяльщик вынимает резец из индуктора, не давая припою затвердеть, прижимает пластину твердого сплава к корпусу и охлаждает инструмент. Эту операцию можно проводить в индукторе с помощью латунной палочки, которой придерживается твердый сплав. После фиксации твердого сплава индукционный нагрев выключается.
При пайке однолезвийного инструмента, у которого толщина паяного шва должна быть не менее 0,2 мм, и многолезвийного сборку делают заранее и подают инструмент на пайку в собранном виде.
Пластины твердого сплава в многолезвийном металлорежущем инструменте, где не предусмотрено искусственное увеличение паяльного зазора, крепят с помощью технологических стенок или штырей, которые забивают в отверстия, предназначенные специально для этой цели. Также крепление пластинки твердого сплава можно осуществлять с помощью кернения, обвязки проволокой или огнеупорными шнурами. При заточке инструмента технологические стенки и штыри стачивают.
Размещение припоя и флюса
Для пайки каждого вида инструмента необходимо определенное количество припоя. В идеальном случае дозировка должна быть такой, чтобы объем припоя, предназначенного для пайки того или другого вида инструмента, был точно равен объему паяльных зазоров и галтелей (если таковые есть). В этом случае совсем не было бы натеков припоя, которые вызывают затруднения при заточке инструмента. Объем паяльных зазоров непостоянен, так как зависит от принятых допусков при изготовлении корпуса инструмента и пластины твердого сплава. Поэтому дозировку припоя следует считать правильной в том случае, если при принятых допусках его всегда достаточно для заполнения паяльных зазоров и образования галтелей. При этом избыток припоя должен быть минимальным.
Дозировка флюсов при пайке должна обеспечивать покрытие всех паяемых поверхностей расплавленным флюсом вплоть до его вытеснения припоем. При нагреве инструмента под пайку необходимо следить непрерывно за тем, чтобы поверхности, подлежащие пайке, были покрыты флюсом.
Процесс дозировки припоя и флюса различается для различных форм припоя, например, для пасты и для паяльной смеси.
Внимание! Во всех случаях применения ленты, пасты и таблетизированного припоя флюсовую пасту, припой, паяльную пасту наносят на холодные поверхности. Только в случае нанесения паяльной смеси сборка инструмента подогревается для лучшей фиксации порошкового припоя.
Нанесение паяльных паст
Паяльные пасты удобно использовать, например, для пайки резцов, сверел, т.е. однолезвийного инструмента. При использовании паяльной пасты следует помнить, что содержание флюса и связки по объему составляют около 50%. Поэтому нельзя применять пасту при больших плоскостях сборки, нанося ее тонким слоем на поверхности. В этом случае гарантировано появятся непропаи и поры, которые приведут к снижению прочности соединения и его разрушению при заточке или эксплуатации.
Пасту наносят в паз корпуса, устанавливают на слой пасты твердосплавную пластинку и с небольшим усилием порядка прижимают опорной поверхностью к гнезду. При этом часть пасты, вытесненная за бортик паза, служит питателем припоя при его расплавлении и заполнении зазора (рис. 4).
Рис. 4 Схема сборки инструмента для пайки с помощью пасты:
а – нанесение паяльной пасты и установка пластинки в гнезде; б – собранное соединение с питателем припоя.
Пасты можно наносить с помощью шпателя, однако, для успешной дозировки оптимальным решением дозировки служит пневматический дозатор со шприцом. Паста припоя предварительно помещается в шприц, количество ее регулируется с помощью давления прибора или времени подачи давления. Отсутствие поршня устраняет выдавливание пасты из шприца после нанесения на поверхность инструмента.
Применение паяльных смесей
Для пайки многолезвийного инструмента применение паст затруднено, поэтому чаще всего на практике используют паяльные смеси, т.е. смесь припоя и флюса.
Слегка разогретую до температуры оплавления флюса (чаще всего около 600-700°C) сборку окунают в порошковую смесь или посыпают смесью подготовленное изделие. В результате оплавления флюса порошок припоя закрепляется на поверхности инструмента. При нагреве до температуры пайки расплав припоя заполняет заранее сформированные зазоры. При пайке малогабаритного инструмента можно использовать нанесение смеси путем налипания на смоченную водой или органическим растворителем поверхность инструмента.
Паяльные смеси также хорошо использовать при пайке инструмента с тупиковым гнездом, в котором закрепляется заготовка твердого сплава. В этом случае с помощью объемного дозирования смесь засыпают в паз в процессе сборки и подготовке инструмента под пайку. Количество дозировки в этом случае определяется опытным путем с помощью оценки качества соединений при различной дозировке паяльной смеси.
Применение закладных элементов из ленты и таблеток
Для некоторых видов инструмента удобно использовать закладные элементы в виде высечки из ленты или спрессованных таблеток припоя. В этих случаях место соединения покрывается пастой флюса, устанавливается припой, осуществляется сборка инструмента.
При индукционной пайке сборку начинают до установки инструмента в индуктор. После включения тока и расплавления флюса и припоя пластину необходимо прижать к корпусу инструмента, чтобы избежать ее смещения (рис. 5).
Рис. 5 Схема сборки инструмента при индукционной пайке с применением припоя в виде полосы или таблетизированного припоя:
При электроконтактной пайке сборку производят непосредственно в процессе пайки, устанавливая твердосплавную пластину на электрод-фиксатор с нанесенным на ее контактную поверхность флюсом-пастой.
После установки пластины к ее контактной поверхности подводят опорную поверхность паза корпуса и проводят пайку с помощью ввода припоя со стороны в виде проволоки или ленты (рис. 6).
Рис. 6 Схема сборки дисковых пил при электроконтактной пайке.
7. Пайка инструмента
Нагрев под пайку должен проводиться медленно с тем, чтобы обеспечить сохранение исходных свойств твердого сплава, равномерный прогрев паяемых поверхностей и корпуса инструмента. Быстрый нагрев пластин из твердых сплавов вызывает неравномерное распределение температур в объеме изделия. Участки твердосплавной пластины, нагретые до более высоких температур, стремятся расшириться, а участки изделия, имеющие меньшую температуру, препятствуют этому. При высоких температурах в твердосплавной пластине возможны остаточные деформации, вызванные неравномерным нагревом. Остаточные деформации после охлаждения твердосплавной пластины вызовут остаточные напряжения. Пластины, имеющие остаточные напряжения, имеют пониженную эксплуатационную прочность при циклических нагрузках. Неравномерный нагрев инструмента под пайку может не только вызвать в твердом сплаве остаточные напряжения, но и создать предпосылки получения паяного шва неудовлетворительного качества. Здесь могут быть два одинаково неблагоприятных случая. Либо расплавленный припой затекает в паяльный паз, у которого температура поверхности ниже ликвидуса припоя, последний не успевая взаимодействовать с ней, затвердевает. При этом образуются непропаи, а прочность паяного шва получается пониженной.
Если некоторые участки поверхностей, подлежащих пайке, имеют температуру, значительно превышающую температуру ликвидуса припоя, то при использовании в качестве припоев латуней происходит их обеднение цинком и нестабильность свойств паяного шва.
Электромагнитное поле при высокочастотном нагреве наводит индукционные токи и выделяет энергию главным образом в наружном слое металлов. Большая глубина проникновения тока в горячую сталь обусловлена ее переходом в немагнитное состояние. После нагрева до температуры, превышающей точку Кюри, магнитная проницаемость стали резко уменьшается и становится равной единице. При нагреве инструмента под пайку током высокой частоты на острых углах пластины твердого сплава будет выделяться больше тепловой энергии, чем на остальных частях пластин. Неравномерность нагрева будет увеличиваться при увеличении частоты тока.
Температура точки Кюри у сплавов ВК8 и Т15К6 выше, чем у стали, и составляет соответственно 890 и 975°C, а теплопроводность сплава Т15К6 почти вдвое ниже, чем у стали 45, поэтому можно ожидать, что в твердом сплаве Т15К6 будут при нагреве значительно большие градиенты, чем у стали.
Большие температурные градиенты отрицательно влияют на эксплуатационную прочность твердого сплава. Поэтому следует использовать, по возможности, установки с транзисторными генераторами с возможностью программирования нагрева по мощности или по температуре с помощью пирометра. Однако при управлении с пирометром следует учитывать, что разные стали при различной температуре могут иметь сильно отличающиеся значения степени черноты, а следовательно, возникает погрешность пирометра при определении температуры. Поэтому следует эмпирически подобрать режимы нагрева до определенных показаний пирометра, при которых достигается максимальное качество соединений. В этом случае показания пирометра служат численной технологической характеристикой, а не абсолютной температурой изделия.
Температуру пайки, в крайнем случае, при отсутствии процессорного управления генератором токов высокой частоты можно определять по температуре плавления припоя. Однако в этом случае успех и стабильность процесса пайки в основном будет зависеть от профессионализма и квалификации оператора. Нагрев в таких случаях следует осуществлять ступенчато, периодически включая установку на заданной мощности с помощью педали.
Электромагнитное поле низкой частоты может оказывать механическое воздействие на пластинки твердого сплава при пайке мелкого инструмента. В этом случае необходимо их удерживать с помощью палочек. Удержание пластин также необходимо из-за того, что при плавлении припоя пластина становится подвижной, если предварительно она не была зафиксирована.
При использовании в качестве припоя паст и смесей желательно оставлять на корпусе свободное пространство, на которое установить твердосплавную пластину после расплавления припоя. Это пространство, с одной стороны, является питателем припоя в случае применения паст и смесей, которые значительно уменьшают свой объем в процессе нагрева, с другой стороны, такое смещение твердого сплава по жидкому расплаву припоя способствует уменьшению количества непропаев и пор в шве. При таком приеме шлаки активно увлекаются флюсом на периферию соединения.
При использовании одновитковых петлевых индукторов для изготовления следует применять медную трубку диаметром 8 - 20 мм. Чем больше сечение паяемого инструмента, тем большего диаметра следует использовать трубку.
При изготовлении индуктора трубку расплющивают так, чтобы в поперечном сечении ее меньший размер относился к большему в соотношении 1:2; 1:3.
Индуктор изготавливают так, чтобы широкая сторона трубки была параллельна нагреваемой поверхности инструмента. Такое расположение трубки увеличивает величину зоны нагрева.
Для нагрева каждой группы инструмента (мелкие инструменты, средние, крупные), подготовить индукторы. Конфигурация индуктора должна выбираться исходя из минимального перепада температур при нагреве инструмента под пайку. Равномерность нагрева определяют экспериментально. Индуктор устанавливать так, чтобы нагрев проходил от корпуса инструмента к твердосплавной пластине. Зазор между индуктором и инструментом должен быть 8 - 10 мм для равномерного прогрева .инструмента (рис. 7). Пайку однолезвийного инструмента можно проводить в многоместных индукторах, обеспечивающих равномерный нагрев и высокую производительность труда. Форма индуктора должна соответствовать форме паяемого инструмента.
Рис. 7
Расположение индуктора относительно корпуса инструмента.
Нагрев инструмента следует начинать с корпуса. Обычно нагрев твердого сплава при правильном конструировании индуктора отстает от нагрева стали. После прогрева корпуса до температуры пайки, продвинуть корпус с твердосплавной пластиной в более интенсивную зону нагрева.
Средняя скорость нагрева под пайку не должна превышать 10 °C/с.
Время нагрева под пайку определяет равномерность прогрева и является функцией многих переменных - формы и размеров изделий, теплопроводности материалов, параметров индуктора, частоты тока. Поэтому точное время должно определяться для каждого изделия индивидуально.
Продолжительность выдержки припоя в расплавленном состоянии составляет 3 - 5 сек. В процессе пайки не допускается перегрев припоя, о котором свидетельствуют белые пары цинка.
После расплавления припоя и заполнения зазоров между пластиной твердого сплава и стенками паза корпуса поправить, пластину, вынуть инструмент из индуктора и пождать шпателем из нержавеющей стали или латуни твердосплавную пластину к корпусу инструмента.
Охлаждение паяных инструментов в зависимости от их размеров проводить на воздухе, в подогретом песке или на водоохлаждаемой изнутри медной плите со средней скоростью 50 - 100°C/мин. Не допускается сбрасывание инструмента после пайки во избежание скалывания или растрескивания твердосплавных пластин.
Для перехода исходной структуры стали в процессе нагрева под пайку в аустенит необходимо нагреть сталь до температуры выше критической точки. Заданное время должно несколько превышать необходимое для перехода исходной структуры стали в аустенит, так как небольшое увеличение продолжительности нагрева не вызовет снижения качества инструмента, в то время как уменьшение необходимого времени нагрева приведет к снижению качества последнего.
Дополнительный запас времени нагрева, равный 10 - 15% от необходимого, служит гарантией того, что при незначительном нарушении режима работы высокочастотной установки (например, смещение индуктора) заданное время нагрева не будет уменьшено. При высокочастотном нагреве переход исходной структуры стали в аустенит происходит при температуре, превышающей критическую на 50 - 80° С. Кроме того, все процессы протекают во времени, поэтому при быстром высокочастотном нагреве стали до температуры пайки исходная структура ее не всегда успевает перейти в аустенит. Практически при пайке припоями на основе меди для перехода исходной структуры стали в аустенит приходится увеличивать продолжительность нагрева при температурах, близких к температуре пайки.
Для получения у корпусов различных видов инструмента одинаковой твердости необходимо сохранить постоянную скорость охлаждения, что может быть достигнуто путем различного теплоотвода. Поэтому для инструментов небольших размеров следует увеличить продолжительность охлаждения, что достигается охлаждением инструмента в подогретом песке. Инструменты средних размеров следует охлаждать на воздухе (не складывая в ящики). Охлаждение инструментов больших размеров следует проводить на решетке с поддувом рассеянной струёй сжатого воздуха.
Очень редко удается получить инструмент высокого качества, не совмещая операцию пайки с операцией термообработки его корпуса, поэтому нагрев инструмента под пайку должен одновременно обеспечить переход исходной структуры, стали в аустенит. Для этого обычно приходится увеличивать продолжительность нагрева инструмента под пайку, при температурах от критической точки стали до температуры пайки. При пайке в одноместных индукторах это неизбежно ведет к снижению производительности труда на операции пайки. Увеличения продолжительности нагрева инструмента под пайку с одновременным увеличением времени нагрева достигают при использовании многоместных индукторов.
После окончания нагрева инструмент вынимают из индуктора и охлаждают на воздухе, в подогретом песке до 150-200 0С, термошкафу или производят закалку корпуса инструмента, изготовленного из сталей 45 или 40Х, в воде за счет использования тепла пайки.
При закалке нужно погружать инструмент в воду так, чтобы уровень ее не доходил до твердосплавной пластинки на 3-5 мм. Закалку корпусов, таким образом, следует производить только для резцов небольшого сечения. Наилучший результат получают при закалке корпуса отрезных резцов.
Схема расположения резца при закалке показана на рис.8. при охлаждении крупногабаритных резцов скорость охлаждения должна быть примерно в 6-8 раз ниже допускаемой скорости нагрева (подогретый песок).
Не допускается сбрасывание инструмента в термошкаф или закалочную ванну. Режим очистки дробью должен быть выбран таким образом, чтоб на режущих кромках не получались сколы.
Рис. 8 Положение инструмента в бачке с водой при закалке корпуса из сталей 45 и 40Х.
8. Очистка инструмента после пайки
После пайки инструмент очищают от окалины и флюса. Металлорежущий инструмент очищают на дробеструйных установках, используя дробь, просеянную через сито с размерами ячейки не более 0,8 мм. Использование дроби размером более указанного приводит к выкрашиванию рабочих кромок инструмента. Снятие путем заточки поверхностного слоя с пластины твердого сплава, имеющего выкрашивания, не гарантирует отсутствие в ней трещин и микротрещин. Вместо дробеструйной обработки можно применить гидропескоструйную обработку. После чего резцы необходимо высушить с помощью обдува.
Излишки припоя удаляют механическим путем.
9. Контроль качества пайки
Проверка качества паяного инструмента
Качество инструмента зависит от точного соблюдения технологической инструкции его изготовления, поэтому необходимо контролировать точное соответствие используемых материалов рекомендуемым и соблюдение технологического режима пайки.
Если термообработка корпуса совмещена с пайкой инструмента, то твердость корпуса является одним из основных показателей качества инструмента. По твердости корпуса можно судить о соблюдении технологического процесса пайки и термообработки инструмента, которые в свою очередь определяют уровень остаточных паяльных напряжений в твердом сплаве. Поэтому твердость инструмента может служить браковочные признаком.
Кроме твердости, браковочным признаком служат трещины в пластинах твердого сплава и несплошности паяного шва, если их протяженность превышает 5% от периметра паяного шва. При пайке по одной плоскости, например токарных резцов, непропай технологического уступа, служащего фиксатором положения пластины твердого сплава при пайке, не служит браковочным признаком.
При капиллярной пайке некоторых видов инструмента следует ограничивать минимальную толщину паяного шва, которая в этом случае должна служить браковочным признаком.
Весь инструмент после пайки подвергнуть внешнему контролю ОТК на трещины, непропаи и смещение твердосплавной пластины. Признаком доброкачественной пайки инструмента является ровный, слегка вогнутый непрерывный валик (галтель) припоя вдоль паяного шва. Непропай не допускается под режущей кромкой инструмента. Смещение твердосплавной пластины относительно корпуса инструмента допускается в пределах половины припуска на окончательную заточку.
100 %-ный контроль пластин твердого сплава после заточки проводить люминесцентным методом или методом цветной дефектоскопии для выявления трещин. Инструмент с трещинами в пластинах твердого сплава отбраковывать и к работе не допускать.
На поверхности резцов не должно быть излишков припоя и флюса в виде наплывов и подтеков. Допускается облуживание пластин корпуса тонким равномерным слоем припоя не более 0,5 мм.
Если можно определить, то слой припоя под пластинкой твердого сплава должен быть в пределах 0,05…0,35 мм. В шве по периметру и углах допускаются единичные места без пропаивания (поры). Не допускаются разрывы припоя под главной режущей кромкой.
Контроль качества паяного шва выполнять визуально на 2…5 разбитых резцах (отбивать твердосплавную пластину до вскрытия припоя) в зависимости от величины партии. Разрешается отбивать твердосплавную пластину на произвольно выбранном резце в процессе пайки партии. Пайка является годной при наличии дефектов (окисление, остатки флюса и непропаев), не превышающих 10% общей площади паяного шва.
Контроль отсутствия сколов и трещин по твердому сплаву производить с применением лупы с 4 – 10-кратным увеличением. Пропуск резцов с дефектами осуществлять с разрешения цеховой комиссии по качеству с записью в журнале. Допустимое количество перепаек не более 2 раз.
Возможные виды брака
Трещины вдоль шва вызываются высокими касательными напряжениями вдоль спаянных поверхностей и наблюдаются при пластинах средних и больших размеров. Трещины могут быть вызваны нарушением режима пайки (перегрев твердого сплава) и неправильно выбранной технологией (выбор слишком прочных припоев при отсутствии релаксационного отпуска).
Поперечные трещины в твердом сплаве могут быть вызваны резким нагревом или охлаждением в процессе пайки, а также изгибом корпуса инструмента под действием нормальных остаточных напряжений.
Поры, включения шлака и флюса являются следствием плохой смачиваемости, а также некачественной подготовки подлежащих пайке поверхностей, большой выдержки и перегрева припоя в расплавленном состоянии при недостаточной флюсовой защите.
Непропай проявляется в виде продольных темных участков – разрывов паяного шва. Является следствием некачественной подготовки поверхности к пайке, плохого смачивания материалов припоев, а при использовании компенсационных прокладок – следствием неправильной установки или вырезки пластинки припоя и прокладки.
Неправильная установка пластины в корпусе.
Мелкие сколы по кромкам – результат неправильного режима дробеструйной очистки.
10. Охрана труда и техника безопасности
Помещение, где проводится пайка инструментов, должно быть оборудовано в соответствии с санитарными нормами.
При работе с флюсами, содержащими токсичные соединения фтора, пайку инструмента проводить с использованием местной вентиляции, расположенной вблизи индуктора высокочастотной нагревательной установки.
Персонал, обслуживающий высокочастотные установки, обязан пройти курс техминимума по их эксплуатации, технике безопасности, правилам противопожарной безопасности на электроустановках, по оказанию первой помощи пострадавшим от электротока и иметь удостоверение на право выполнения соответствующих работ на данной установке. Во время работы высокочастотной установки воспрещается прикасаться к индуктору или вторичному витку высоковольтного трансформатора. Пол рабочего места около установки должен быть покрыт резиновым ковриком.
Работающие на высокочастотных установках обязаны производить наладку установок и все необходимые переключения для настройки режима только в присутствии мастера или наладчика, имеющих необходимую квалификацию и соответствующее на это разрешение.
Воспрещается приступать к работе на установке при неисправном электрооборудовании (индукторе, высоковольтном трансформаторе, реле управления и т.п.), при неисправных или отключенных блокировках, а также при неисправных ограждениях, обшивочных листах и кожухах, обеспечивающих безопасность работы.
Рекомендуемая литература
- Клочко Н.А. Основы технологии пайки и термообработки твердосплавного инструмента. М., «Металлургия», 1981.
2. ОСТ 48-184-81 «Припои для пайки твердосплавного режущего инструмента». М., Минцветмет СССР, 1981.
- Справочник по пайке. Под ред. И.Е. Петрунина. М.: Машиностроение, 2003, 480 с.
- Имшенник К.П., Коротков Ю.В., Иванов И.Н. Составной режущий инструмент. М.: Машиностроение, 208 с.
- Технологические процессы пайки твердосплавного инструмента. Методические рекомендации. М., Машиностроение 1987. 90 с.
