VISOKOTEMPERATURNO VAKUUMSKO SPAJKANJE Hl-TROREZNIH ORODNIH JEKEL NA KONSTRUKCIJSKA, Z ISTOČASNO TOPLOTNO OBDELAVO V VAKUUMSKI PEČI
v. Leskovšek in D. Kmetic, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 61111 Ljubljana
HIGH TEMPERATURE VACUUM BRAZING OF HSS ON CONSTRUCTION STEEL, WITH SIMULTANEOUS HEAT TREATMENT Abstract
In view of leading higti temperature vacuum brazir^g process, at the austenitization temperature of HSS, it makes possible to carry out high temperature vacuum brazing of HSS on construction steel, with simultaneous heat treatment.
Advantages of this process are increased strength of brazed joints, increased toughness of carrying part, optimum hardness and cutting edges strength for a given combination working part/cutting tool.
Povzetek
s postopkom visokotemperaturnega vakuumskega spajkanja hitroreznih orodnih jekel na konstrukcijska in z Istočasno toplotno obdelavo v vakuumski peči smo izdelali kakovostna rezilna orodja. Prednost tako izdelanih rezilnih orodij je doseganje želene žilavosti nosilnega dela iz konstrukcijskega jekla in optimalne trdote rezila iz hitoreznega jekla za dano kombinacijo del/orodje.
1 UVOD
VisokotefTiperaturno vakuumsko spajkanje je spajanje kovinskih deksv z dodajnim materiatom brez uporabe talil v vakuumu pri temperaturah nad 900°C, vendar pod tališčem kovin, ki naj bi jih spojili.
Rezultati tega načina spajanja so kakovostni spoji z visoko vezno trdnostjo, ki lahko v mnogih primerih doseže trdnost osnovne kovine (npr. jekla, nikljevih ali kobaltovih zlitin) /1/.
Postopek visokotemperaturnega vakuumskega spajkanja v enokomorni vakuumski peči iPSEN VTC-324R s homogenim plinskim hlajenjem pod visokim tlakom vodimo že v območju avstenitizacije hitroreznih orodnih jekel. To omogoča v istem ciklusu visokotempera-turno vakuumsko spajkanje hitroreznih orodnih jekel na konstrukcijska in istočasno toplotno obdelavo v vakuumu.
Prednost tako izdelanih rezilnih orodij je predvsem v doseganju želene žilavosti nosilnega dela iz konstrukcijskega jekla, ob doseganju optimalne trdote rezila iz hitroreznega Jekla za dano kombinacijo del/orodje. Takšno kombinacijo mehanskih lastnosti rezilnega orodja, izdelanega po klasičnem postopku iz hitroreznega jekla, je možno doseči le z dodatno toplotno obdelavo delnega popuščanja. Druge prednosti visokotemperaturnega vakuumskega spajkanja pa so še v prihranku energije, dragih orodnih jekel in čiščenju.
2 MEHANIZEM VISOKOTEMPERATURNEGA VAKUUMSKEGA SPAJKANJA IN DEJAVNIKI, KI VPLIVAJO NA TRDNOSTNE LASTNOSTI SPAJKANEGA SPOJA
Slika 1 shematsko prikazuje mehanizem visokotemperaturnega vakuumskega spajkanja. Na površini kovine se absorbirajo molekule preostale atmosfere. Kisik reagira s kovino in tvori oksidno plast na površini - slika la. Med spajkanjem so privlačne sile na površini kovine zasičene, izoblikovana oksidna plast pa preprečuje stik med površino kovine in dodajnim materialom. Za odstranitev oksidne plasti uporabljamo talilo oziroma spajkanje izvršimo v zaščitnem plinu ali vakuumu in na ta način preprečimo nastanek oksidne plasti.
V vakuumu so na površini kovine nezasičene privlačne sile. ker ne pride do oksidacije - slika 1b. Tekoča dodajna kovina omoči površino kovine ob delovanju adhezijskih privlačnih sil med obema gradnikoma spoja - slika lc. Ta adhezivna prevleka je ojačana z medsebojno difuzijo elementov iz osnovne kovine in dodajne kovine - slika Id /1,2/. Med ohlajanjem se dodajni material strdi, njegova kohezivna odpornost
o)f
b)
• • • m ^ m	ZraK 1
	yisaiflo^uasi-
	Ovovn^tovina
	Vakuum' 1
	Osnovna kocino
naraste.
Slika 1. Mehanizem visokotemperaturnega vakuumskega spajkanja
Mehansko trdnost spoja ocenjujemo z doseganjem kohezivne in adhezivne odpornosti, ki jo merimo z nateznim preizkusom.
Trdnost dodajnega materiala je eden od glavnih dejavnikov, ki vpliva na trdnostne lastnosti spajkanega spoja. Trdnostne lastnosti surovo litega dodajnega materiala so direktno merilo za trdnostne lastnosti spoja /1/,
Pri spoju z ozko špranjo se pojavi visok tlak polnjenja. Ob upoštevanju trdnostnih lastnosti spajkanega spoja mora biti tudi širina špranje ozka /1/. Za spajkanje s talili lahko rečemo, da preozka špranja odseva v nižji
natezni trdnosti. V tem primeru nimamo zadostne količine talila v špranji, da bi odstranili oksidno plast, prav tako pa je omejen tudi tok dodajnega materiala. Posledica je zelo slaba kakovost spoja /1/.
Ti problemi pa se ne pojavljajo pri spajkanju brez talila, kjer dosežemo najvišjo natezno trdnost pri spoju s širino špranje do 100 ^m /3/.
Natezna trdnost spajkanega spoja narašča z naraščanjem natezne trdnosti osnovne kovine, če sta druga dva pogoja, kot dodajni material in širina špranje, konstantna.
Natezna trdnost osnovne kovine ne vpliva na strižno trdnost spajkanega spoja. V tem primeru so prevladujoče samo lastnosti dodajnega materiala. Natezna trdnost spoja se zmanjša z naraščanjem kontaktne površine spajkanja. To lahko razložimo z verjetnostjo naraščanja deleža plinskih mehurčkov v sloju spajke pri naraščanju kontaktne površine, še posebej, če narašča tudi pot toka dodajnega materiala /1/.
Nosilnost dela vsekakor narašča s povečevanjem kontaktne površine spajkanja. Da bi dosegli zaželene trdnostne lastnosti spoja je nujno, da izberemo točno temperaturo spajkanja. Ce je temperatura spajkanja prenizka, dodajni material ne bo tekel In omočil površine ter se ne bo vezal na osnovno kovino /3/.
Nasprotno pa temperatura spajkanja ne sme biti previsoka zaradi možnosti izparevanja legirnih elementov v dodajnem materialu ali neželenih sprememb osnovne kovine.
Raziskave so pokazale, da se trdnostne lastnosti spoja močno znižajo že pri najmanjših količinah nečistoč v dodajnem materialu, Spajka postane krhka zaradi tvorbe krhkih plasti med dodajnim materialom in osnovno kovino. Iz tega razloga so dovoljene nečistoče v dodajnem materialu za visokotemperaiurno spaj-kanje omejene na skupno 0,1%, največja dovoljena vsebnost aluminija pa na 0,005% (DIN 8513).
3 EKSPERIMENTALNI DEL IN REZULTATI
Pri eksperimentalnem delu smo se omejili na visoko-temperaturno vakuumsko spajkanje segmentov za krožne žage in nožev za rezanje papirja, ki so izdelani iz jekla Č.7680, nosilni del je izdelan iz jekla Č.4320 • slika 2.
Spajkanje smo izvršili v vakuumu, ki je bil boljši od lO""* mbar, uporabili smo spajko z oznako 30. Tako izdelani segmenti žag so bili v tej fazi predvideni za nadaljnje metalografske in mehanske preiskave.
Slika 2. Segmenti l<rožnih žag in noža za rezanje papirja, izdelana po postopku visokotemperatur-nega spajkanja in istočasno toplotno obdelana na 64^1 HRc
TampTomfg apojkgnia
Dodajna materiala, ki smo ju uporabili pri tem postopku, sta proizvoda firme Nicrobraz Wall Colmonoy, na osnovi Ni-Cr z oznako 30 in LM, z zrnatostjo prahu 80 ^Jn /4/.
Pri spajkanju segmentov krožnih žag smo glede na konstrukcijo izbrali čelni spoj s širino špranje 70 pjn. Temperatura spajkanja je bila liSCC, s te temperature smo dele ohladili v toku dušika pod tlakom 5 bar, ter jih zatem dvakrat popuščali na temperaturi 540°C -slika 3.
Slika 3. Shematski prikaz postopka visokotemperatur-nega vakuumskega spajkanja in toplotne obdelave
Za preizkus vzdržljivosti visokotemperaturnega vakuumskega spoja smo izdelali 2 noža za rezanje papirja dimenzij 425 x 117 x 10 mm in en nož dimenzij 560 X 117 X 10 mm, slika 2. iz jekla Č.7680 In Č.4320. Pri teh nožih smo uporabili spajko z oznako LM.
Giede na konstrukcijo nožev smo izbrali prekrovni spoj, širina špranje Je bila 70 jj/n. Vsi ostali parametri spajkanja in toplotne obdelave so bili enaki kot pri segmentih za krožne žage.
Za orodja, izdelana po postopku visokotemperatur-nega spajkanja z istočasno toplotno obdelavo, Je poleg zahtevanih lastnosti orodnega jekla najpomembnejša vezna trdnost med orodnim in konstrukcijskim jeklom /1,2/. Orodno Jeklo ima drobno zrnato mikro-strukturo in po dvakratnem popuščanju matico iz popuščenega martenzita, v kateri so drobni karbidi (slika 4). Trdota jekla Je 641 HRc. Konstrukcijsko Jeklo EC 80 ima mikrostrukturo iz popuščenega martenzita in bainita. Zaradi visoke temperature avstenitizacije so avstenitna zrna velika.

«.-.•.ir. - 'V» »
Slika 4. Mikrostruktura orodnega jekla Č. 7680 (BRM2) (pav. 200x)
Slika 5. Mikrostruktura na stiku visokolemperaturno spajkanega orodja (pov. 200x)
Na sliki 5 Je prikazana mikrostruktura vezne plasti med orodnim in konstrukcijskim jeklom na kaljenem in popuščenem vzorcu. Vzorec je bil spajkan s spajko 30. V vezni plasti opazimo zrna faze, ki je nastala v času spajkanja zaradi difuzijskih procesov. Difuzija Je hitrejša na meji orodno jeklo/spajka, zato je te faze več v vezni plasti ob orodnem jeklu. Na meji s konstrukcijskim jeklom je vezna plast homogena.
Vzorce smo pregledali tudi v SEM. S slike 6 Je razvidno, da so večja poligonalna zrna v vezni plasti različna, drobnejša zrna pa identična s karbidi v orodnem Jeklu (bela zrna). Analiza v SEM Je pokazala, da Je v tej fazi prisoten tudi ogljik, ki deloma izhaja iz sestave spajke, deloma pa je difundiral v spajko iz orodnega Jekla. Poleg ogljika difundirajo v spajko še W, Mo in V. Ni in Si difundirata iz spajke v orodno jeklo. Natančnejše preiskave v elektronskem mikroanal izatorju so pokazale, da so večja poligonalna zrna po sredini vezne plasti intermetalna faza iz Ni, Cr in Si, ki vsebuje še nekaj W, Mo in V. Drobnejša zrna so karbidi. Intermetalna faza je trda, izmerili smo vrednosti mikrotrdot od 500 do 600 HV. Povprečna mikrotrdota matice je 195 HV. Prisotnost intermetalne faze in karbidnih nizov znižuje vezno trdnost spoja /51.
Na meji med spajko in konstrukcijskim jeklom poteka difuzija Cr, Ni in Si v konstrukcijsko jeklo. Na poboljšanih vzorcih smo opazili na tej meji tanko plast, bogato z ogljikom (slika 5), V temperaturnem področju popuščanja se aktivnost ogljika spremeni in difuzija ogljika poteka iz konstrukcijskega Jekla na mejo s spajko.
Difuzija legirnih elementov poteka v taki meri, da vpliva tudi na potek trdote na prehodu iz vezne plasti v orodno in konstrukcijsko Jeklo. Na sliki 7 sta podana profila mikrotrdot (merjeno z obtežbo 25 g) na prehodu orodnega Jekla in vezne plasti in vezne plasti ter konstrukcijskega jekla. Trdota orodnega Jekla na prehodu pade, konstrukcijskega pa se poveča.
C.7680 (BRM)
C.4320 (EC80)
Slika 6. Mikrostruktura na stiku visokotemperaturno spajkanega orodja, posneta v SEM
Trdnostne lastnosti vezne plasti so odvisne od tehnologije izdelave orodja in pogojev toplotne obdelave. Vezna plast spajke mora biti čim tanjša, čim bolj homogena ter brez poroznih mest in razpok. Nastajanju intermetalnih faz in karbidov se zaradi difuzijskih procesov, ki so na temperaturi obdelave orodij že zelo hitri, ne moremo popolnoma izogniti /5/.
Dimenzije dela in osnovna kovina v glavnem določata čase segrevanja in hlajenja ter temperaturo spajkanja.
	uoo
	«in
>	
X	
n	
%	600
o	
5	«00
	20Q
				^ L					
				!					
	BR	(^2							
				1 ' M		• Fr,	N)		
e Icoljsno stanje ' pobčijšono stanje				1 1					
									
		1		1 1					
IS
Q5 0 0 as Raz dalja v nun
15
Slika 7. Potek mikrotrdote HV na prehodu iz vezne plasti v orodno in konstrukcijsko jeklo
Vakuumske peči za visokotemperaturno spajkanje morajo zadovoljiti več pogojev, kot so; zadostne zmogljivosti črpanja v razmerju z efektivno prostornino, majhno puščanje peči (10"^ mbar I s'^), vakuum, ki je boljši od 10'^ mbar, dobra izenačenost temperature v delovnem področju peči, natančno krmiljenje in registracija ciklusa čas-temperalura itd. /1/. Da bi izdelali visokokvaliteten spoj s spajkanjem, moramo op-timirati prevladujoče parametre spajkanja, kot so:
-	temperatura spajkanja
-	čas pregrevanja
-	širina špranje in difuzijska toplotna obdelava za vsako kombinacijo dodajne in osnovne kovine.
4 SKLEP
Z visokotemperaturnim vakuumskim spajkanjem in istočasno toplotno obdelavo v vakuumski peči smo izdelali vzorce orodij iz nosilnega konstrukcijskega jekla in koristnega dela iz hitroreznega jekla. Kot dodajni material smo uporabili dve spajki, izdelani na b^i Ni-Cr.
Med toplotno obdelavo zelo hitro potekajo difuzijski procesi med tekočo spajko in trdno fazo, zlasti na meji z orodnim jeklom. Pri spajkah, izdelanih na bazi Ni-Cr, nastanejo v vezni plasti intermetalne in evtektične faze; karbidi v pasu orodnega jekla ob vezni plasti, po avstenitnih mejah pa mreža iz evtektičnih karbidov in lahko tudi praznine.
Trdnostne lastnosti vezne plasti so torej odvisne od tehnologije izdelave orodja in pogojev toplotne obdelave. Vezna plast spajke mora biti čim tanjša, čim bolj homogena in brez poroznih mest in razpok. Nastajanju intermetainih faz in karbidov se zaradi difu-zijskih procesov, ki so na temperaturi obdelave orodij že zelo hitri, ne moremo popolnoma izogniti,
Pri modernih vakuumskih pečeh s homogenim ohlajevanjem pod visokim tlakom je uporaba tega postopka ekonomična, če moramo spojiti in toplotno obdelati nekaj delov ali pa več tisoč.
5 LITERATURA
/1/ J.W. Bouwman, High Temperature Vacuum Brazing, Ipsen interna dokumentacija
/2/ Brazing, ASM International, Metals Park, Ohio 44073
13/ Gotek, Know how Systeme tur die Oberflächentechnik
/4/ Nicrobraz Data file, Wall Colmonoz corporation
/5/ Hanloten, Grundlagen und Anwendungen, Lutz Dorn v.A., Kontakt Studium, Band 146 Expertverlag, 7032 Sindelfingen
Obvestilo
Naročnike Vakuumista vljudno prosimo, da s priloženo položnico poravnate naroCnino za leto 1993. Cena štirih številk, kolikor jih bo predvidoma izšlo v letošnjem letu, je 800,00 SIT; za naročnike iz drugih držav pa 15 DEM, oz. protivrednost v njihovi domači valuti. Prosimo vas, da naročnino nakažete čimprej.