Припой для пайки поликристаллов сверхтвердых материалов

 

Использование: изготовление ножей для пильных дисков из поликристаллов сверхтвердых материалов, в том числе на основе кубического нитрида бора (КНБ) методом пайки. Сущность изобретения: припой содержит компоненты в следующем соотношении в мас.%: медь 5 - 25, титан 3 - 6, нитрид кремния и/или нитрид алюминия 5 - 15, сплав алюминий-кремний с содержанием кремния 5 - 15% 0,3 - 3,0, серебро остальное. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области изготовления ножей для пильных дисков из поликристаллов сверхтвердых материалов, в том числе на основе кубического нитрида бора (КНБ) методом пайки.

В настоящее время для пайки ответственных изделий из сверхтвердых материалов (СТМ) повсеместно применяются более прочные эластичные одгезионно-активные припои на основе серебра [1] Эти припои обеспечивают достаточную надежность пайки, но при их использовании также возникают трещины в поликристаллах из-за разницы в коэффициентах термического расширения стали и СТМ, не компенсируемой припоем.

Прототипом предлагаемого изобретения является припой [2] содержащий, мас.

меди, серебра, олова, алюминия и/или цинка 11-87,5 железа, кобальта и/или никеля 0,3-8,1 титана, хрома, циркония, марганца, молибдена и/или вольфрама 5- 54 ванадия, ниобия, тантала и/или бора 0,003-0,7.

Однако этот припой, содержащий в качестве основы сплава серебро, обеспечивает надежность пайки, но имеет следующие недостатки: собственный высокий коэффициент термического расширения; неоднородность состава после пайки, вызванную реакцией взаимодействия адгезионно-активных компонентов (титана, хрома, циркония) с КНБ с образованием нитридов и боридов указанных металлов, концентрирующихся на границе поликристалла СТМ. Это ведет к появлению трещин в поликристаллах.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение качества паяного соединения путем устранения появления трещин.

Поставленная цель достигается тем, что припой, содержащий серебро, медь, титан, дополнительно содержит нитрид кремния и/или нитрид алюминия и сплав алюминий-кремний с содержанием 5 15 масс. кремния при следующем соотношении компонентов, масс.

медь 5 25 титан 3 6 нитрид кремния и/или нитрид алюминия 5 15 сплав алюминий-кремний с содержанием 5 15% кремния 0,3 3,0 серебро остальное.

Вводимые соединения из группы нитрид кремния и нитрид алюминия из гаммы прочих металлоподобных соединений отличаются сочетанием таких качеств, как низкий коэффициент термического расширения, термическая твердость и химическая устойчивость. Вследствие указанного они снижают коэффициент расширения припоя и стабилизируют его структурную однородность.

Однако, при введении в состав припоя на основе серебра с наличием титана указанных соединений, имеет место их реакция с титаном с образованием нитрида титана, титанатов кремния и алюминия с высоким коэффициентом термического расширения, что ухудшает качество припоя. Это явление устраняется введением в состав припоя сплава алюминий-кремний с содержанием кремния 5 15% Указанный сплав с температурой плавления менее 650^oC в процессе нагрева при пайке расплавляется и покрывает металлоподобные соединения защитной пленкой, предотвращающей их разрушение.

Таким образом, цель изобретения достигается только при совместном введении в состав припоя указанных соединений и сплава алюминий-кремний.

Ниже приводится обоснование пределов содержания компонентов в припое.

Медь является компонентом припоя, способствующим снижению его температуры плавления и увеличению прочности, введение которого обусловлено диаграммой состояния серебро-медь. При содержании меди более 25% появляется хрупкая эвтектическая фаза и увеличивается температура пайки, менее 5% эффект от содержания меди исчезает. Титан определяет адгезию припоя к СТМ, при его содержании менее 3% припой не смачивает поликристалл, более 6% образуется излишнее количество хрупких фаз. Соединение из группы нитрид кремния и/или нитрид алюминия необходимы для предотвращения растрескивания поликристалла СТМ. При содержании менее 5% их влияние но проявляется, более 15% припой охрупчивается. Сплав алюминий-кремний необходим для обеспечения вышеуказанными соединениями их функционального значения. Пределы введения (0,3 3,0%) определяются количеством этих соединений. Состав сплава (5 15% кремния) зависит от температуры его плавления и от смачиваемого им соединения (применение нитрида кремния требует использования более кремнистого сплава). Серебро основной компонент припоя, определяющий его температуру плавления, прочность, пластичность, растекаемость. окисляемость и т.д. Его конкретное содержание зависит от количества других компонентов.

Примеры конкретного выполнения.

Для экспериментальной проверки заявленного в таблице приведены примеры (варианты) содержания компонентов, а также сведения по выходу годных ножей.

Порошки компонентов припоя крупностью 80 мкм разделялись на две части: первую из металлов, вторую из соединений и сплава алюминий- кремний. Последний предварительно сплавляется на установке ТВЧ и затем механически превращается в порошок 80мкм (возможно использование силуминов или сплавов типа АКМ). Обе части тщательно смешиваются и увлажняются клеющим составом, так называемым "биндером". Второй (наружный по отношению к поликристаллу) слой наносится слоем порядка 0,1 0,2 мм (в зависимости от величины зазора под пайку) на паяемую поверхность стального ножа, затем после подсыхания наносится вторая (металлическая) часть припоя и приклеиваются поликристаллы СТМ. Диаметр полупаза под пайку в корпусе 4мм при длине 2-3 мм, диаметр поликристаллов 3,3 3,9 мм, длина от 4 до 5,5 мм в зависимости от марки СТМ. Пайка производится в вакуумных печах (вакуум не менее 10^-5 мм рт. ст.), выдержка не менее 1 мин. температура пайки дана в таблице. Во время пайки металлические компоненты сплавляются и гомогенизируются (при температуре пайки, т. е. более 800^oC, до этого при температуре порядка 600- 800^oC частицы неметаллических соединений покрываются (экранируются) сплавом алюминий-кремний; при температуре пайки металлическая часть припоя пропитывает слой соединений и смачивает КНБ и сталь. После остывания ножи затачиваются при помощи алмазных шлифкругов и контролируются на наличие дефектов.

Из таблицы видно, что использование заявляемого изобретения позволят в 2-3 раза повысить выход годных ножей из поликристаллов КНБ.

Формула изобретения

Припой для пайки поликристаллов сверхтвердых материалов, содержащий серебро, медь, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нитрид кремния и/или нитрид алюминия и сплав алюминий-кремний с содержанием кремния 5 15 мас. при следующем соотношении компонентов, мас.

Медь 5 25
Титан 3 6
Нитрид кремния и/или нитрид алюминия 5 15
Сплав алюминий-кремний с содержанием кремния 5 15% 0,3 3,0
Серебро Остальноее

РИСУНКИ

Рисунок 1