PL194822B1

PL194822B1 - Bezkadmowe stopy lutów twardych, ich zastosowanie, sposób lutowania metali twardych i sposób lutowania elementów z metali twardych

Info

Publication number: PL194822B1
Application number: PL342107A
Authority: PL
Inventors: Bernd Kempf; Sandra Wittpahl; Dieter Kaufmann
Original assignee: Umicore Ag & Co Kg
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2007-07-31
Also published as: EP1078711B1; EP1078711A1; DE50010623D1; ZA200004336B; KR20010021383A; TW528637B; ATE298649T1; JP2001087889A; ES2242562T3; NZ506379A; DE19940115A1; PL342107A1

Abstract

1. Bezkadmowe stopy lutów twardych, znamienne tym, ze zawieraja 45-75% wagowych Ag, 10-30% wagowych Cu, do 20% wagowych Ga, 1-25% wagowych Zn, do 6% wagowych Sn i/lub In, 0,1-8% wagowych Mn lub 0,1-3% wagowych Si i/lub Ge i ewentualnie lacznie do 5% wagowych dalszych skladników stopu, korzystnie Co lub Ni. 5. Zastosowanie stopów lutów twardych o wysokiej zawartosci srebra okreslonych w zastrz. 1-4 do lutowania twardych metali. 7. Sposób lutowania metali twardych przez nierozlaczne laczenie niskotopliwym lutem, znamienny tym, ze jako niskotopliwy lut wprowadza sie bezkadmowy stop lutu twardego zawierajacy 45-75% wago- wych Ag, 10-30% wagowych Cu, do 20% wagowych Ga, 1-25% wagowych Zn, do 6% wagowych Sn i/lub In, 0,1-8% wagowych Mn lub 0,1-3% wagowych Si i/lub Ge i ewentualnie lacznie do 5% wago- wych dalszych skladników stopu, korzystnie Co lub Ni. 8. Sposób lutowania elementów z metali twardych z osadzonym diamentem lub pokrytych diamen- tem przy wytwarzaniu glowic wiertniczych przez nierozlaczne laczenie niskotopliwym lutem, znamien- ny tym, ze jako niskotopliwy lut wprowadza sie bezkadmowy stop lutu twardego zawierajacy 45-75% wa- gowych Ag, 10-30% wagowych Cu, do 20% wagowych Ga, 1-25% wagowych Zn, do 6% wagowych Sn i/lub In, 0,1-8% wagowych Mn lub 0,1-3% wagowych Si i/lub Ge i ewentualnie lacznie do 5% wa- gowych dalszych skladników stopu, korzystnie Co lub Ni. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy bezkadmowych niskotopliwych stopów lutów twardych o dobrej zwilżalności na twardych metalach oraz ich zastosowania. Wynalazek dotyczy również sposobu lutowania metali twardych lub elementów z metali twardych z osadzonym diamentem lub pokrytymi diamentami, zwłaszcza przy wytwarzaniu głowic wiertniczych przez łączenie nowym stopem twardego lutu.

Lutowanie jest szczególnym, oszczędzającym materiał ekonomicznym sposobem łączenia o dużym technicznym znaczeniu zarówno w produkcji seryjnej, jak również w łączeniu pojedynczych detali.

Wielką zaletą lutowania jest to, że materiały mogą być łączone nierozłącznie bezpośrednio we względnie niskiej temperaturze. Im niższa jest temperatura lutowania, tym mniejsze jest zużycie energii, wpływ struktury podstawowego materiału i na ogół także mniej błędów lutowania.

W związku z tym jest szczególny popyt na niskotopliwe twarde luty. Zwykłe luty na bazie srebra zawierają Cu, Zn, Sn, In obok Ag jako głównego składnika stopu i ewentualnie dalsze składniki.

Niskotopliwymi, łatwymi do lutowania i dającymi się wielostronnie stosować są luty srebrowe zawierające kadm. Kadm, a zwłaszcza jego opary są jednakże rakotwórcze. Z tego powodu tego rodzaju luty są stosowane wyłącznie przy zachowaniu ostrych warunków bezpieczeństwa.

Zaletą lutów zawierających kadm jest ich szczególnie niski obszar topnienia i w związku z tym możliwość szczególnie niskich temperatur lutowania. Tych zalet nie osiągano wcześniej w przypadku zwykłych lutów na bazie srebra, nie zawierających kadmu.

Od kilku lat znane są jednak także twarde luty srebrowe, osiągające także bez dodatku kadmu temperatury lutowania poniżej 630°C. W zasadzie jest to możliwe do osiągnięcia w wyniku tego, że takie stopy lutów zawierają pierwiastek Ga w różnych stosunkach do dalszych składników stopu.

Tego rodzaju stopy są opisane np. w opisach patentowych DE 4 315 190, DE 4 315 189, DE 4 315 190 i DE 4 323 227. Takie stopy są specjalnie pomyślane jako stopy zastępujące niskotopliwe zawierające kadm luty.

Również z opisów US 5400946, JP 50136254 A i GB 1532840 znane są niskotopliwe luty srebrowe. Jednakże żaden z tych opisów nie ujawnia lutów zawierających gal. Bezkadmowe stopy lutów twardych zgodne z obecnym wynalazkiem jako jeden z istotnych składników zawierają gal.

Szczególnie w procesie lutowania metali twardych (stopów twardych) pożądane są niskie temperatury lutowania w celu utrzymania możliwie małych termicznie indukowanych naprężeń termicznych wynikających z różnych termicznych współczynników rozszerzalności twardego metalu i materiału nośnika. Obok różnicy współczynników rozszerzalności decydująca dla wielkości powstających naprężeń jest różnica temperatur pomiędzy temperaturą krzepnięcia lutu i temperaturą pokojową.

W przemyśle narzędziowym, a zwłaszcza w głowicach wiertniczych stosowane są metale twarde (stopy twarde) powleczone diamentem charakteryzujące się szczególnie wysoką odpornością na erozję.

Jeżeli z technicznych powodów pożądane jest, aby te twarde metale (stopy) powleczone diamentem były lutowane na powietrzu z zastosowaniem topnika na materiale nośnika, wówczas temperatura lutowania nie może w żadnym przypadku przekroczyć temperatury 690°C, aby nie nastąpiło zniszczenie warstwy diamentu. Im niższa jest temperatura lutowania, tym wyższa jest w tym przypadku pewność procesu i pewność jakości produktu.

Okazało się jednak, że luty metali twardych zawierające gal, znane z omówionych opisów i specjalnie stosowane w głowicach wiertniczych nie są dobrze zwilżane przez co proces lutowania jest utrudniony.

Zatem zadaniem wynalazku było opracowanie twardych lutów o temperaturze lutowania poniżej 650°C wolnych od toksycznych składników takich jak zwłaszcza kadm i w związku z tym charakteryzujących się dobrą zwilżalnością twardych metali (stopów). Ponadto te luty powinny się nadawać szczególnie do lutowania twardych metali (stopów) pokrytych diamentem.

Zadanie to rozwiązano zgodnie z wynalazkiem opracowując stopy lutów twardych charakteryzujące się zawartością: 45-75% wagowych Ag, 10-30% wagowych Cu, do 20% wagowych Ga, 1-25% wagowych Zn, do 6% wagowych Sn i/lub In, 0,1-8% wagowych Mn lub 0,1-3% wagowych Si i/lub Ge i ewentualnie łącznie do 5% wagowych dalszych składników stopu, korzystnie Co lub Ni.

Bardzo dobrymi są stopy o składzie:

50-70% wag. Ag

10-20% wag. Cu

1-20% wag. Ga

5-20% wag. Zn

PL 194 822 B1

0-6% wag. Sn i/lub In

0,1-8% wag. Mn lub

0,1-3% wag. Si i/lub Ge

Szczególnie korzystne są stopy o składzie:

50-60% wag. Ag

10-20% wag. Cu

1-20% wag. Ga

10-20% wag. Zn

1-6% wag. Sn i/lub In

0,1-8% wag. Mn i

60-70% wag. Ag

10-20% wag. Cu

10-20% wag. Ga

5-10% wag. Zn

0,1-8% wag. Mn lub

0,1-3% wag. Si i/lub Ge

Zgodnie z wynalazkiem bezkadmowe stopy lutów twardych mogą być szczególnie korzystnie stosowane do lutowania twardego twardych metali (stopów).

A zatem kolejnym przedmiotem wynalazku jest zastosowanie stopów lutów twardych o wysokiej zawartości srebra określonych powyżej do lutowania twardych metali.

Szczególnie korzystne jest zastosowanie stopów lutów twardych o wysokiej zawartości srebra określonych powyżej do lutowania elementów z twardych metali z osadzonym diamentem lub pokrytymi diamentem przy wytwarzaniu głowic wiertniczych.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób lutowania metali twardych przez nierozłączne łączenie niskotopliwym lutem, charakteryzujący się tym, że jako niskotopliwy lut wprowadza się bezkadmowy stop lutu twardego zawierający 45-75% wagowych Ag, 10-30% wagowych Cu, do 20% wagowych Ga, 1-25% wagowych Zn, do 6% wagowych Sn i/lub In, 0,1-8% wagowych Mn lub 0,1-3% wagowych Si i/lub Ge i ewentualnie łącznie do 5% wagowych dalszych składników stopu, korzystnie Co lub Ni.

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest sposób lutowania elementów z metali twardych z osadzonym diamentem lub pokrytymi diamentem przy wytwarzaniu głowic wiertniczych przez nierozłączne łączenie niskotopliwym lutem, charakteryzujący się tym, że jako niskotopliwy lut wprowadza się bezkadmowy stop lutu twardego zawierający 45-75% wagowych Ag, 10-30% wagowych Cu, do 20% wagowych Ga, 1-25% wagowych Zn, do 6% wagowych Sn i/lub In, 0,1-8% wagowych Mn lub 0,1-3% wagowych Si i/lub Ge i ewentualnie łącznie do 5% wagowych dalszych składników stopu, korzystnie Co lub Ni.

Twarde luty według wynalazku posiadają wyraźnie niższą temperaturę pracy niż konwencjonalne luty twarde. Temperatury pracy są zbliżone lub przeważającym stopniu nawet niższe od temperatur pracy niskotopliwych zawierających kadm - i przez to problematycznych - i nie zawierających kadmu, zawierających gal twardych lutów.

Dalej w poniżej zamieszczonej tabeli 1 przytoczono składy kilku stopów według wynalazku (nr 1-7) w porównaniu do znanych bezkadmowych zawierających gal lutów (nr 8 i 9) (składy podano w % wagowych) i podano ich temperatury pracy.

Ze względu na porównywalnie małą zawartość Mn jako składnika stopu luty według wynalazku dają się bardzo dobrze odlewać i formować, a przez to w procesie wytwarzania dają się bezproblemowo obrabiać i przerabiać.

Szczególnie zaskakującą i nieoczekiwaną właściwością lutów według wynalazku jest ich znakomita zwilżalność na metalach twardych (stopach).

W celu oceny zwilżalności lutów na metalach twardych nanosi się wytłoczone z różnych stopów lutów okrągłe płytki lutów o określonej grubości (0,2 mm) i wielkości (5 mm f) na próbki metali twardych, dozuje topnik i próbki te w atmosferze powietrza doprowadza się do temperatury lutowania przy typowych dla tego zastosowania szybkościach ogrzewania w piecu.

Po ochłodzeniu określa się powierzchnię twardego metalu zwilżoną lutem i porównuje się z powierzchnią wyjściową płytki lutu.

Wyniki przedstawiono w tabeli 1 w kolumnie „Współczynnik zwilżalności”.

PL 194 822 B1

Wynik ten wskazuje nieoczekiwanie na to, że luty według wynalazku charakteryzują się znacznie lepszą zwilżalnością na metalach twardych niż znane bezkadmowe, zawierające gal twarde luty.

Dalszą ważną w praktyce zaletą twardych lutów według wynalazku jest wzrost odporności na ścinanie wytworzonych z nich połączeń lutowanych.

Ze względu na przedstawiony profil własności bezkadmowe stopy twardych lutów według wynalazku nadają się szczególnie do lutowania twardych metali, a zwłaszcza do lutowania elementów z twardych metali z osadzonym diamentem lub pokrytych diamentem, zwłaszcza w procesie wytwarzania głowic wiertniczych.

Tabel a 1.

Nr	Ag	Cu	Ga	Zn	Sn/In	Mn/Si/Ge	Temperatura pracy	Indeks zwilżalności
1	56	18,5	0	15	5 (Sn)	%,5 (Mn)	62%	0
2	56	16	0	15	0 Sn 2 In	0 (Mn)	61%	5
0	56	15	0	15	5 (Sn)	5 (Mn)	605	5
5	62	15	15	5	-	1 (Si)	6%%	5
5	62	10	15	5	-	1 Si 2 Ge	58%	5
6	62	11	15	5	-	5 (Mn)	615	6
5	55	2%	0	15	5 (Sn)	1 (Ge)	61%	0,5
8	55	2%	0	15	5 (Sn)	-	60%	1,5
9	60	15	15	5	-	-	6%%	2

Zastrzeżenia patentowe

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Beekaamowe stoop lutów twardyyh. zznmieenn tym. żż eawierają 45-75% waagwyyh Ag, 1 0-30% wagowych Cu, do 2%% wagowych Ga, 1-25% wagowych Zn, do 6% wagowych Sn i/lub In, %,1-8% wagowych Mn lub %,1-0% wagowych Si i/lub Ge i ewentualnie łącznie do 5% wagowych dalszych składników stopu, korzystnie Co lub Ni.
2. Stopy lutów twardych według zastrz. 1, znamienne tym, że składają się z:

5%-5%% wag. Ag

1%-2%% wag. Cu

1-2%% wag. Ga

5-2%% wag. Zn %-6% wag. Sn i/lub In %,1-8% wag. Mn lub %,1-0% wag. Si i/lub Ge.

0. Stopy lutów twardych według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że składają się z:

5%-6%% wag. Ag

1%-2%% wag. Cu

1-2%% wag. Ga

1%-2%% wag. Zn

1-6% wag. Sn i/lub In %,1-8% wag. Mn.
5. Stopy lutów twardych według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że składają się z:

6%-5%% wag. Ag

1%-2%% wag. Cu

1%-2%% wag. Ga

5-1%% wag. Zn

PL 194 822 B1

0,1-8% wag. Mn lub

0,1-3% wag. Si i/lub Ge.

5. Zastosowaniestopówlutów twardych o wysokiej zawartości srebraokreślonych w zastrz. 1-4 do lutowania twardych metali.
6. Zastosowanie według zastrz. 5 do lutowania elementów z twardych metall z osadzonym diamentem lub pokrytych diamentem przy wytwarzaniu głowic wiertniczych.
7. Spotób lutowania metali twardych przez nierozłączne łączenie nitkotopli^wym lutem, znamienny tym, że jako nitkotopliwy lut wprowadza tię bezkadmowy ttop lutu twardego zawierający 45-75% wagowych Ag, 10-30% wagowych Cu, do 20% wagowych Ga, 1-25% wagowych Zn, do 6% wagowych Sn i/lub In, 0,1-8% wagowych Mn lub 0,1-3% wagowych Si i/lub Ge i ewentualnie łącznie do 5% wagowych daltzych tkładników ttopu, korzyttnie Co lub Ni.
8. Sposób lutowania elementów z ι'^θΙθΙΙ twardych z osadzonym diame^em lub pokrytych diamentem przy wytwarzaniu głowic wiertniczych przez nierozłączne łączenie nitkotopliwym lutem, znamienny tym, że jako nitkotopliwy lut wprowadza tię bezkadmowy ttop lutu twardego zawierający 45-75% wagowych Ag, 10-30% wagowych Cu, do 20% wagowych Ga, 1-25% wagowych Zn, do 6% wagowych Sn i/lub In, 0,1-8% wagowych Mn lub 0,1-3% wagowych Si i/lub Ge i ewentualnie łącznie do 5% wagowych daltzych tkładników ttopu, korzyttnie Co lub Ni.