PL216972B1 - Method for soldering self-bonded carbides to chrome-nickel steel within large areas - Google Patents

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób lutowania węglików spiekanych ze stalą chromowo-niklową na dużych powierzchniach. Powierzchnie tnące łopatek młynów kruszywa i mieszadeł twardych surowców lub powierzchni tnących filier do granulacji polimerów są często, w celu zwiększenia odporności na zużycie ścierne pokrywane wykładziną z płytek węglików spiekanych przylutowanych do stalowego podłoża. Wytworzone w ten sposób warstwy tnące cechują się bardzo długim okresem eksploatacji pod warunkiem dobrego połączenia z podłożem i braku pęknięć w płytkach węglikowych.The subject of the invention is a method of brazing sintered carbides with chromium-nickel steel on large surfaces. The cutting surfaces of the blades of aggregate mills and hard raw material mixers or the cutting surfaces of the polymer granulation abutment are often covered with a lining of sintered carbide plates soldered to the steel substrate in order to increase the wear resistance. The cutting layers produced in this way are characterized by a very long service life, provided that they are well bonded to the substrate and have no cracks in the carbide plates.

Znane są metody zwiększania odporności na zużycie powierzchni tnącej filiery granulatora polietylenu poprzez pokrywanie jej twardą warstwą cermetaliczną. Warstwę tę, najczęściej o składzie: węglik wolframu - kobalt o zawartości kobaltu do 60%, tradycyjnie wytwarza się metodą metalizacji natryskowej lub plazmową. Sposoby te nie gwarantują jednak oczekiwanej jakości i trwałości filiery oraz jakości produkowanego granulatu, a wytworzone warstwy często mają wady technologiczne: złe przyleganie do podłoża i nadmierną porowatość.There are known methods of increasing the wear resistance of the cutting surface of a polyethylene granulator by covering it with a hard cermet layer. This layer, most often composed of: tungsten carbide - cobalt with a cobalt content of up to 60%, is traditionally produced by spray or plasma metallization. However, these methods do not guarantee the expected quality and durability of the filter and the quality of the produced granulate, and the produced layers often have technological defects: poor adhesion to the substrate and excessive porosity.

Znana jest z publikacji „Lutowanie w budowie maszyn”, J. Nowacki, M. Chudziński, P. Zmitrowicz, WNT, 2007 metoda lutowania węglików spiekanych w postaci płytek ze stalą nierdzewną utwardzaną wydzieleniowo 14-5 PH w procesie lutowania próżniowego polegająca na oczyszczeniu mechanicznym powierzchni lutowanej, odtłuszczeniu jej, naniesieniu lutu w postaci folii lub pasty, a następnie nagrzewaniu objętościowym całego elementu, które przeprowadza się w komorze pieca w próżni. Jako luty stosuje się czystą miedź lub stop LS 72. W procesie tym nie stosuje się topników. Znane są również sposoby lutowania, w których w celu kompensacji naprężeń cieplnych w odpowiedzialnych narzędziach o większych wymiarach stosuje się specjalne wkładki pośredniczące z folii lub siatki. Stosuje się również wkładki kompensacyjne platerowane obustronnie spoiwem.It is known from the publication "Soldering in machine building", J. Nowacki, M. Chudziński, P. Zmitrowicz, WNT, 2007 method of soldering sintered carbides in the form of plates with precipitation hardened stainless steel 14-5 PH in the process of vacuum brazing involving mechanical cleaning the brazed surface, degreasing it, applying solder in the form of a foil or paste, and then volumetric heating of the entire element, which is carried out in the furnace chamber under vacuum. Pure copper or LS 72 alloy is used as solder. There are no fluxes used in this process. Brazing methods are also known, in which special intermediate inserts made of foil or mesh are used in order to compensate for thermal stresses in the larger dimensions of the responsible tools. Compensation inserts clad on both sides with a binder are also used.

Lutowanie próżniowe dużych elementów maszyn wykonanych ze stali nierdzewnych i płytek spieków cermetalicznych stwarza szereg problemów, które mogą być mniej istotne podczas lutowania innymi metodami. Problemy te są powodowane przede wszystkim znacznie dłuższym czasem lutowania w próżni w porównaniu z innymi metodami lutowania, brakiem topników oraz koniecznością stosowania grzania objętościowego. Długi czas lutowania jest przyczyną znacznego udziału procesów dyfuzyjnych podczas spajania, często obniżających jakość spojenia, np.:Vacuum brazing of large machine parts made of stainless steel and sintered cermet plates creates a number of problems that may be less relevant when brazing with other methods. These problems are mainly caused by the much longer vacuum brazing time compared to other brazing methods, the lack of fluxes and the need for volumetric heating. Long soldering time is the cause of a significant share of diffusion processes during bonding, which often reduce the quality of the bond, e.g .:

- tworzenia się kruchych faz międzymetalicznych w spojeniu lub powierzchni rozdziału spojenie - materiał łączony,- formation of brittle intermetallic phases in the bond or the bond interface - bonded material,

- ucieczki składników z materiałów łączonych do lutu powodującej zmianę składu chemicznego lutu, wzrost temperatury lutowania i kruchość spojenia,- leakage of components from the materials connected to the solder causing a change in the chemical composition of the solder, an increase in the soldering temperature and the brittleness of the bond,

- zastępowania składników materiałów łączonych składnikami lutu,- replacing components of materials combined with solder components,

- procesów parowania w próżni powodujących zmianę składu lutu i temperatury lutowania.- evaporation processes under vacuum which alter the braze composition and brazing temperature.

Sposób lutowania węglików spiekanych ze stalą chromowo-niklową na dużych powierzchniach, według wynalazku, polega na wstępnej obróbce mechanicznej stali i jej odtłuszczeniu, naniesieniu lutu i ułożeniu płytek z węglika spiekanego, a następnie wygrzewaniu w próżni. Istotą sposobu jest to, że na powierzchnię stali nanosi się lut poprzez natryskiwanie cieplne mieszaniny 30 do 85% wag. proszku miedzi o wielkości ziarna od 0,06 do 0,15 mm i 15 do 70% wag. proszku węglika wolframu o wielkości ziarna 0,001 do 0,020 mm, a następnie uzyskaną powierzchnię poddaje się obróbce mechanicznej do uzyskania warstwy o grubości od 0,05 do 0,15 mm. Wstępna obróbka mechaniczna stali polega na tym, że przed natryskiwaniem stal szlifuje się lub dokładnie frezuje się do uzyskania chropowatości powierzchni w zakresie od Ra = 1,50 do Ra = 2,00. Po naniesieniu lutu i ułożeniu płytek z węglika spiekanego element wygrzewa się w próżni od 10^-2 do 10^-4 Pa z prędkością od 100 doThe method of brazing sintered carbides with chromium-nickel steel on large surfaces, according to the invention, consists in preliminary mechanical treatment of the steel and its degreasing, applying braze and placing sintered carbide plates, and then heating in a vacuum. The essence of the method is that solder is applied to the steel surface by thermal spraying a mixture of 30 to 85% by weight. of copper powder with a grain size of 0.06 to 0.15 mm and 15 to 70 wt. tungsten carbide powder with a grain size of 0.001 to 0.020 mm, and then the obtained surface is machined to a layer thickness of 0.05 to 0.15 mm. The initial mechanical treatment of steel consists in the fact that, before spraying, the steel is ground or thoroughly milled to obtain a surface roughness in the range from Ra = 1.50 to Ra = 2.00. After applying the solder and placing the cemented carbide plates, the element is heated in a vacuum of 10 ^-2 to 10 ^-4 Pa at a speed of 100 to

150°C/h do temperatury od 1070 do 1200°C. Następnie element wygrzewa się w tej temperaturze w czasie od 0,25 do 1,00 h, po czym chłodzi się z temperatury wygrzewania do temperatury 850°C z prędkością 100 do 150°C/h, a następnie do temperatury otoczenia z prędkością 200 do 300°C/h. Przy zmianie prędkości chłodzenia można zrobić przystanek izotermiczny.150 ° C / h to a temperature of 1070 to 1200 ° C. The element is then annealed at this temperature for 0.25 to 1.00 h, and then cooled from the annealing temperature to 850 ° C at the rate of 100 to 150 ° C / h, and then to the ambient temperature at the rate of 200 to 300 ° C / h. When changing the cooling speed, an isothermal stop can be made.

Zaleta proponowanego sposobu według wynalazku jest to, że eliminuje skłonność do pękania płytek węglików spiekanych w wyniku zastosowania kompozytowego spoiwa o składzie chemicznym i fazowym umożliwiającym zmniejszenie spiętrzenia naprężeń wynikającego z różnic współczynników rozszerzalności cieplnej łączonych elementów. Sposób według wynalazku pozwala na wyeliminowanie pęknięć płytek z węglika spiekanego bez konieczności stosowania siatek kompensacyjnych.The advantage of the proposed method according to the invention is that it eliminates the tendency to cracking of the cemented carbide plates as a result of the use of a composite binder with a chemical and phase composition that allows to reduce the stress concentration resulting from differences in thermal expansion coefficients of the joined elements. The method according to the invention makes it possible to eliminate cracks in cemented carbide plates without the need to use compensation nets.

PL 216 972 B1PL 216 972 B1

Wynalazek bliżej zilustrowany jest w poniższych przykładach wykonania.The invention is illustrated in the following examples.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Powierzchnię tnącą (o wymiarach 70 x 300 mm) śmigła mieszadła granulatu ceramicznego wykonaną ze stali X5CrNiMoCuNb14 poddaje się wstępnej obróbce mechanicznej, czyli szlifuje się do chropowatości Ra = 1,82, a następnie odtłuszcza się w benzynie ekstrakcyjnej. Na tak przygotowaną powierzchnię natryskuje się cieplnie mieszaninę proszków o składzie: 85% wag. proszku miedzi o wielkości ziarna 0,12 i 15% wag. proszku węglika wolframu WC o wielkości ziarna 0,010 mm. Następnie tak uzyskaną powierzchnię szlifuje się do grubości 0,05 mm. Układa się płytki węglika spiekanego G 30 o wymiarach a = 6 mm, b = 6 mm i h = 8 mm. Tak przygotowany element podgrzewa się w próżni 10^- Pa z prędkością 100°C/h do temperatury 1150°C. Następnie wygrzewa się w tej temperaturze w czasie 20 min. Po czym chłodzi się z temperatury wygrzewania do temperatury 850°C z prędkością 120°C/h, a następnie do temperatury otoczenia z prędkością 250°C/h.The cutting surface (dimensions 70 x 300 mm) of the propeller of the ceramic granulate, made of X5CrNiMoCuNb14 steel, is subjected to initial mechanical treatment, i.e. it is ground to a roughness of Ra = 1.82, and then degreased in extraction gasoline. A mixture of powders with the following composition is thermally sprayed onto the prepared surface: 85% by weight. copper powder with a grain size of 0.12 and 15% by weight. WC tungsten carbide powder with 0.010mm grain size. The surface thus obtained is then ground to a thickness of 0.05 mm. G 30 sintered carbide plates with dimensions of a = 6 mm, b = 6 mm and h = 8 mm are placed. The element prepared in this way is heated in a vacuum of 10 ^- Pa at a rate of 100 ° C / h to a temperature of 1150 ° C. Then it is heated at this temperature for 20 minutes. Thereafter, it is cooled from the annealing temperature to 850 ° C at the rate of 120 ° C / h, and then to the ambient temperature at the rate of 250 ° C / h.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Sposób jak w przykładzie 1 przy czym stal X4CrNiMo16-5-1 obrabia się wstępnie do chropowatości Ra=1,50, natryskuje się mieszaniną proszków 30% wag. miedzi o wielkości ziarna 0,08 mm i 70% wag. węglika wolframu o wielkości ziarna 0,008 mm. Wygrzewa się w próżni 10^-4 Pa z prędkością 150°C/h do temperatury 1070°C. Następnie wygrzewa się w tej temperaturze w czasie 50 min. Po czym chłodzi się z temperatury wygrzewania do temperatury 850°C z prędkością 140°C/h. Robi się przystanek izotermiczny na 0,5 h, a następnie chłodzi się do temperatury otoczenia z prędkością 200°C/h.The method is as in example 1, where X4CrNiMo16-5-1 steel is pretreated to a roughness of Ra = 1.50, sprayed with a powder mixture of 30% by weight. of copper with a grain size of 0.08 mm and 70 wt. tungsten carbide with a grain size of 0.008 mm. It is heated in a vacuum of 10 ^-4 Pa at a rate of 150 ° C / h to a temperature of 1070 ° C. Then it is heated at this temperature for 50 minutes. Thereafter, it is cooled from the annealing temperature to 850 ° C at the rate of 140 ° C / h. An isothermal stop is made for 0.5 h and then cooled to ambient temperature at a rate of 200 ° C / h.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Sposób lutowania węglików spiekanych ze stalą chromowo-niklową na dużych powierzchniach, polegający na wstępnej obróbce mechanicznej stali i jej odtłuszczeniu, naniesieniu lutu i ułożeniu płytek z węglika spiekanego, a następnie wygrzewaniu w próżni, znamienny tym, że na powierzchnię stali nanosi się lut poprzez natryskiwanie cieplne mieszaniny 30 do 85% wagowy proszku miedzi o wielkości ziarna od 0,06 do 0,15 mm i 15 do 70% wagowy proszku węglika wolframu o wielkości ziarna 0.001 do 0,020 mm, następnie uzyskaną powierzchnię poddaje się obróbce mechanicznej do uzyskania warstwy o grubości od 0,05 do 0,15 mm.1. The method of brazing sintered carbides with chromium-nickel steel on large surfaces, consisting in preliminary mechanical treatment of the steel and its degreasing, applying solder and arranging sintered carbide plates, and then heating in a vacuum, characterized in that solder is applied to the steel surface by thermal spraying a mixture of 30 to 85% by weight of copper powder with a grain size of 0.06 to 0.15 mm and 15 to 70% by weight of tungsten carbide powder with a grain size of 0.001 to 0.020 mm, then the obtained surface is machined to obtain a layer with a thickness of 0.05 to 0.15 mm. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed natryskiwaniem stal szlifuje się lub dokładnie frezuje się do uzyskania chropowatości powierzchni w zakresie od Ra = 1,50 do Ra = 2,00.2. The method according to p. The process of claim 1, wherein prior to spraying, the steel is ground or thoroughly milled to a surface roughness ranging from Ra = 1.50 to Ra = 2.00. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stal z lutem i węglikiem spiekanym podgrzewa się w próżni od 10^-2 do 10^-4 Pa z prędkością od 100 do 150°C/h do temperatury od 1070 do 1200°C, następnie wygrzewa się w tej temperaturze w czasie od 0,25 do 1,00 h, po czym chłodzi się z temperatury wygrzewania do temperatury 850°C z prędkością 100 do 150°C/h, a następnie do temperatury otoczenia z prędkością 200 do 300°C/h.3. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the steel with solder and sintered carbide is heated in a vacuum of ^10-2 to 10 ^-4 Pa at a rate of 100 to 150 ° C / h to a temperature of 1070 to 1200 ° C, then heated at this temperature for 0.25 to 1.00 h, followed by cooling from the annealing temperature to 850 ° C at the rate of 100 to 150 ° C / h, and then to ambient temperature at the rate of 200 to 300 ° C / h.