Mikrostrukturne značilnosti vakuumskega spoja volfram karbidnih zrn s konstrukcijskim jeklom
Microstructural Characteristics of Vacuum Brazing of WC-Co Particles and Structural Stee! vvith Cu-based Brazing AI!oy-powder
Šuštaršič B1., V. Leskovšek, A. Rodič, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana
Volfram Karbid s kobaltom kot kovinsko osnovo (WC-Col poznan kot trda kovna, karbidna trd/na ah tudi cod tržnim imenom WIDIA, je eden najstarejših in v praksi najpogosteje uporabljanih kompozitov namenjenih izdelavi obrabno odpornih plasti in predvsem si nt ran i h rezalnih orodij Odpadno trdo ko v/no izrabljenih sintranih rezalnih orodij je možno tudi zdrobiti ter relativno groba in ostroroba zrna WC-Co kom pozi ta uporabi h za Izdelavo različnih brusilnih plošč, kise hitro in enostavno pritrdijo na priročne brusi tke. Zrna trde kovine enakomerno nanesemo na predhodno oblikovano ploščo iz konstrukcijskega jekla. Difuzijsko vezavo zrn s k o i ms ko osnovo dosežemo z vakuumskim spajkanjem. Pri tem se najpogosteje kot doda/no sredstvo (spajka) uporabi,>a/o kovinski prahovi na osnovi bakra. V lesni industriji, kamnoseštvu, gumarstvu in usnjarstvu je pogosto treba hitro in enostavno očistili oziroma obrusiti površino nekega polizdelka v vmesnih fazah proizvodnje, budi v živinoreji počasi opuščajo zamudno rezanje živalskih kopit in ga nadomeščajo z brušenjem s priročno orusitko. Takšna brusilna plošča je lahko tudi doma vsestransko uporabno orodje. Na slovenskem tržišču so se v zadnjem času pojavila povpraševanja po tovrstnih brusih. Na tMTLjubljana /mamo boigoietne izkušnje na področju vakuumskega spajkanja. Zato smo se na osnovi začetne vzpodbude tovarne brusov COMET Cospecial (Zreče) odločili osvojiti postopek izdelave te vrste brusnih plošč. V članku je predstavljeno raziskovalno delo vezano na postopek izdelave te vrste brusnih plošč s poudarkom na značilnostih uporabljene s pajke postopku vakuumskega spajkanja in posledično spoja trdo kovinskih zrn s kovinsko osnovo.
Ključne besede, spajke na osnovi Cu vakuumsko spajkanje, spoj zrn karbidne trd/ne s konstrukcijskim jeklom, mikrostrukturne značilnosti
Tungsten carbides with Co matrk (WC-Co) are o/d and we// known composites. referred too as cemented carbides. ha/d meta/s and knovvn also under the trade mark name W/D/A. respeci/ved The most /mportant appllcation of cemented carbides /s in the production of machining too/s. as we/t as m the production of uear res is ta nt parts or lave rs in many fie/ds of apphcation. Waste cemented carbide parts of no m too/s (inserts knives, dri/Is. culters, saivs, punches, etc.) can be groundand the result/hg relativelp rough and sharp edgecl particles of the WC-Co composite can be used /or the manufacturlng of grind u heels vvhich are fast and simplv mounted on the e/ectnc dritt. The cemented carbide particles are uniform/v deposited on a clean surface of a steel base (grindlng wheet) and diffusion bonding of particles vvith the steel base can be obtained by different methods of brazing The most convenient brazing method is vacuum brazing and the brazing agents used are commoniv Cu-basedaltoys-powders. In wood, štone-cutting and teather industry, as ne/las in rubber industrv. h is often necessary (by a fast and simpte procedure) either to clean or to rub off the surface of the semi-fmished products during individuat steps of the manufacturing procedure. Stock-farming gradually substitutlng for the hard and time-consuming tri mm ing ofhoofs by manuat grindlng. These klnds of grindlng wheets a/so are appropriate too/s for houseivork applications. Currentty, this type of grindlng too/s /s a/so increasingty in demand on the Slovenian marke!. The researchers of the Institute o t Metals and Technologies in Ljubljana Slov ena have manv years of experlence in different R&D fie/ds concerning uear reslstant matenaJs (metatpowder manufacturing, heat treatment. vacuum brazing, material deveiopment invest/gations and testing. etc. J. Therefore. on the basis of the initiai encouragement bv Slovenian grinding-stone factorg COMET Cospecial (Zreče), a decislon nas made al the !MT Ljubljana to deve/op the procedure of manufacturing these tvpes of grinding too/s. /n the present artlde, the research work concerning the procedure of manufacturing these tvpes of grindmg too/s is introduced. with strong emphasis on the characteristics of the brazing agent used. the vacuum brazing procedure, as wett as the resutting microstructural characteristics of the brazing joint pen i een the hard meta! particles and the structural steel Pase.
Key vvords: Cu-based brazing alloy-powders, vacuum brazing, WC-Co padictes/structurat steet joint, microstructural characteristics
1. Uvod
Za trdo spajkanje (angl.: brazing) sintranih karbidnih trdin (WC-Co kompozitov) ali tudi orodnih jekel na kov insko osnovo (konstrukcijsko jeklo i se običajno kol dodajni material za spaj-
im. Borivoj ŠUŠTARŠIČ. dipl m/ lušliiiil /;t ki n inskc materiale in ; ■ 11 n'' k.:' i | -
1 trpi pot I l.hllHII) Ljubljana
kanje uporablja tehnično čisti bakren prah . Proces spajkanja karbidnih trdin na jekleno osnovo s čistim Cu in s tem v /v ezi potekajoče difuzijske procese ter nastanek različnih faz je v preteklosti raziskovala že vrsta raziskovalcev *. Skupna ugotovitev večine je. da se na meji karbidne trdine tvori tanka plast intermetallic spojine bogate na Co in Fe. Pogosto se na meji s karbidno trdin« pojavijo tudi pore (angl.: voids). ki zmanjšujejo
trdnost spajkane vezi (spoja). V našem primeru smo namesto čistega bakra (OFHC baker 99,9 mas."r ) uporabili kol dodajni material za spajkanje vodno atomizirani prah - zlitino bakra z 2 mas/, Ni (Cu-2<i Ni). V komercialnih katalogih"' tujih proizvajalcev spajk pogosto najdemo kot dodajna sredstva primerna za spajkanje Cu-Ni zlitine. Istočasno so tudi lastni preizkusi izdelave prahov na osnov i Cu pokazali . da atomizacija Cu z dodatkom 2 mas//< Ni daje prah / delci kroglične oblike, ki ima ob relativno visoki nasipni gostoti in dobri tekočnosti tudi primerno velikostno porazdelitev delcev s povprečno velikostjo delcev med 40 in 70 pm. S primernim optimiranjem procesnih parametrov atomizacije " (predvsem tlaka razprševaltiega sredstva, temperature pregretja taline in premera šobe vmesne posode (angl.: tundish nozzle)) je tako možno izdelati prah z za spajkanje zahtevanimi morfološkimi lastnostmi. Praktični preizkusi so pokazali, da ima Cu-2'., Ni vodno atomizirani prah tudi v primerjavi s čistim vodno atomiziranim Cu prahom primerljive oziroma celo nekaj boljše morfološke lastnost. Trdo spajkanje v vakuumu naj bi tako kljub relativno visoki vsebnosti kisika (0.25 mas//,' i v prahu, kar je značilnost vodno atomiziranih prahov. ob ostalih dobrih lastnostih prahu dalo kakovosten spoj med karbidno trdino in jeklom. Ob relativno dobro raziskanem procesu več fazne difuzije' pri trdem spajkanju s čistim Cu nas je zanimalo, ali gre v primeru spajkanja z zlitino Cu-2% Ni za podobne pojave kot pri spajkanju s čistim Cu. ali bomo morda prišli do drugačnih ugotovitev.
2. Praktično delo in preiskave
Kot nosilec (kovinsko osnovo) ostrorobih delcev karbidne trdine smo izbrali pločevino i/ jekla za poboljšanje (C.4733 oziroma kvaliteto Železarne Ravne VCMo 150 z 0.5'/, C. I', Cr in 0.2'., Mo). Na osnovi raziskav ocenjujemo, da bi za naš namen povsem ustrezalo mehko splošno konstrukcijsko jeklo Č.0561 (ČN 36-B / 0.2'/, C) ali pa konstrukcijsko jeklo Č.1530 (CK 45 z 0.45', C). Iz izbrane jeklene pločevine smo izdelali okrogle plošče standardnih dimenzij primernih za namestitev na priročno brusiIko (premer cea I 15 mm. debelina 2 -=-6 mm, slika 1). Za nanos smo pripravili mešanico kovinskega prahu (Cu-2'., Ni) frakcije 45 -h 75 um, veziva in ostrorobih delcev karbidne trdine (po ISO G 10/020 s 6% - 10% Co in Vickersovo trdoto 1350 1600 HV) frakcije 1 -f 3 mm. Po ročnem nanosu pripravljene mešanice na jeklene plošče smo tako pripravljene vzorce spajkali v vakuumski peči za toplotno obdelavo 1PSEN VTTC-324R. Optimalne pogoje spajkanja smo dosegli pri pogojih vakuuma 10 mbara, v temperaturnem območju I 100 do 1200"C. hitrosti segrevanja cca 20"C/min. in hitrosti ohlajanja cca 3 C/min. Pri teh pogojih spajkanja ostanejo delci karbidne trdine in jeklena osnova trdni, medtem ko se spajka stali in omoči delce karbidne trdine ter površino jeklene osnove.
Iz izdelanih plošč (slika 1 b) smo nato izrezali vzorce za metalografskc preiskave in analize v elektronskem mikroana-lizatorju. Predhodno smo v optičnem in raster elektronskem
Slika 1: a) Dimenzije in b) makroskopski posnetek na IMT Ljubljana izdelanih brusnih plošč	bi
Figure 1: a) Dimensions and b) macroscopic photos of grinding vvheels produced at IMT Ljubljana
mikroskopu (SEM) pregledali tudi uporabljeni kovinski prah in zrnca karbidne trdine. / ARL kvantometrom (tip 3460 Metal Analvzer) smo preverili kemično sestavo izbranega jekla in določili njegov o trdoto pred in po spajkanju. Vzporedno / izdelavo in analizo lastnih vzorcev smo analizirali tudi tuj vzorec brusne plošče, ki so nam ga priskrbeli v tovarni brusov COMET Cospccial Zreče.
3. Re/.ultati in diskusija
Vodno atomizirani prah Cu-2'i Ni izdelan na IMT Ljubljana, ki smo ga uporabili kot dodajni material pri spajkanju. ima pretežno kroglično oblikovane, rahlo površinsko oksidirane
Slika 2: SF.M posnetka oblike delcev Cu-2f/j Ni vodno atomiziranega
pralni uporabljenega kol dodajni material pri spajkanju Figure 2: SEM micrograph of particle shape of vvater atomized Cu-2' i Ni povvder used as vacuum brazing agent
Slika 3: SEM posnetka a) hitrostrjene celične mikrostrukture delcev Cu-2'.< Ni vodno atomiziranega prahu b) z opazno notranjo poroznostjo
Figure 3: SEM micrograph of a) rapid solidified cellular microstructure of vvater atomized Cu-2'i \i povvder particles b) vvith noticed internal porositv
delce (slika 2). Metalografske preiskave kažejo tudi rahlo notranjo poroznost delcev. Celična mikrostruktura delcev (slika 3) je posledica hitrega strjevanja med vodno atomizacijo. oziroma velikih hitrosti ohlajanja (=105 -r 10 K/'s). Hitrost ohlajanja pa je za dane pogoje atomizacije najbolj odvisna od velikosti delcev. Zaradi pravilne oblike delcev ima prah relativno visoko nasipno gostoto (=4.4 g/cm') in dobro tekočnost ( = 1N sek./50 gi. Visoka nasipna gostota in dobra tekočnost prahu pa sta osnovni značilnosti dobrih kovinskih prahov namenjenih spajkanju.
Nasipno gostoto in tekočnost prahu smo določili s Hallovim merilnikom pretoka v skladu z MP1F standardom" (Metal Povvder Industries Federation) št.: 03 in 04. Kot je bilo že omenjeno je imel prah relativno visoko vsebnost kisika. To lahko pripišemo delno površinski oksidaciji delcev zaradi oksidacije z vodno paro med atomizacijo in adsorbciji molekul kisika (zraka) na aktivni površini delcev. V zlitinah na osnovi Cu je nezane-marljiv tudi delež raztopljenega kisika in oksidnih delcev žlindre '. Posamezni prispevki v celokupni vsebnosti kisika v prahu bodo še predmet naših naslednjih preiskav. Visoka \ sebnost kisika ni opazno vplivala na proces spajkanja. saj je postopek potekal v relativno visokem vakuumu, ki omogoča razplinjenje
in ob prisotnosti reducenkn (C) tudi dobro dezoksidacijo. Sistem Cu-Ni je sistem popolne topnosti \ tekočem in trdnem, tako da lahko govorimo o uporabljeni spajki (/litini) kot o sub-stitucijski trdni raztopini.
Poleg spajke. ki je na temperaturi spajkanja tekoča, na di-fuzijske procese (trdno - tekoče - trdno) vpliva tudi i/brana kovinska osnova (jeklo), saj Fe in legirni elementi prisotni v jeklu zaradi gradienta koncentracije (gonilna sila /a difuzijo je gradient kemičnega potenciala) difundirajo preko spajke na mejo spajka/trda kovina. Izbrano jeklo je imelo feritno-perlitno mikrostrukturo in trdoto 205 do 215 HB. Na /manjšanje difuzije Fe \ smeri trde kovine pomembno vpliva predvsem povečana vsebnost C v jeklu4 medtem, ko vpliv drugih legirnih elementov (naprimer Cr) še ni podrobno raziskan. Pri študiju difuzijskih procesov moramo upoštevati, da je medsebojna topnost prisotnih komponent omejena, oziroma je zelo majhna ali je praktično ni (topnost spajke v karbidni trdini). Topnost posameznih elementov spajanih komponent (Fe. Cr, Co. W) v spajki (Cu) je relativno majhna. Tako je topnost C o v Cu pri temperaturah spajkanja ~ 8Vc. topnost Cr je = 0.65'/r in topnost Fe je = 5' r . W in C pa sta v tekočem Cu praktično netopna.
Zrna karbidne trdine smo analizirali v elektronskem mikroanalizatorju. ES ika kaže (slika 4). da so uporabljena zrna ostroroba in po pričakovanju vsebujejo W in Co. V sledovih so prisotni še Fe. Ni. Mn. Si in Cr. Določitev porazdelitve C v našem elektronskem mikroanalizatorju ni možna.
Vzporedno z izdelavo lastnih vzorcev smo analizirali tudi tuj vzorec brusne plošče. Zato se najprej zadržimo pri ugotovitvah analize tujega vzorca. Na tujem vzorcu brusilne plošče so bila ostroroba zrna (1 -r 3 mm) karbidne trdine (WC s = 6c/< Co) spaj-kana s Cu-Ni zlitino (s =4'< Ni) na mehko konstrukcijsko jeklo (ekvivalent c. 0561) -s povečano vsebnostjo Al (0.055% Al), ki zagotavlja drobno zrnato mikrostrukturo še pri ogrevanju nad 1000°C. Jeklo ima drobno zrnato feritno-perlitno mikrostrukturo
Slika 4: ES slika zmea uporabljene karbidne trdine in porazdelitev
elementov v njem posneta v elektronskem mikroanalizatorju Figure 4: ES pieture of rough and sharp edged cemented carbide particle and their elements distribution obtained by electron microprobe analyzer
Slika 5: Mikrostrukture spoja zrno karbidne trdine/konstrukcijsko jeklo
na tujem vzorcu brusne plošče Figure 5: Microstructures of cemented carbide particle/structural steel joint of foreign grinding \vheel
Slika 6: Porazdelitev elementov v tujem vzorcu na spoju zrno karbidne trdine/konstrukcijsko jeklo Figure 6: Elements distribution at the cemented carbide particle/structural steel joint ofllie foreign sample
■ *
' • t ■r M
karbidna t rdi na
spajka
•	, , • i dBMjRH
*	*.
\
lOOpmlH
1--—4 , !
spajKa
s cca 15' e perlita (slika 5). Iz brusilne plošče smo izrezali \ zorce za metalografske preiskave in določitev porazdelitve posameznih elementov po preseku v zorca v elektronskem mikroanalizatorju. Na sliki 6 je prikazana porazdelitev posameznih elementov dobljena v elektronskem mikroanalizatorju. Dobro je vidno, da je Fe difundiralo na mejne ploskve spajka/karbidna trdina. W je ostal v karbidni trdini. Zato lahko sklepamo, da je difuzi ja W v spajko zanemarljiva in je omejena le na mejno cono karbidna trdina/spajka. Nikelj je v spajki. Povečano koncentracijo Ni pa opazimo tudi na mejnih ploskvah jeklo/spajka in spajka/karbidna trdina. Povečana koncentracija Co je opazna predvsem na mejnih ploskvah karbidna trdina/spajka in delno na mejnih ploskvah spajka/jeklo i/ česar lahko sklepamo da je C o difundiral i/ karbidne trdine na mejne ploskve karbidna trdina/spajka in preko spajke na mejne ploskve spajka/jeklo. Difuzija Mn in Si je zanemarljiva.
Na osnovi predhodnih raziskav' porazdelitve elementov dobljene / elektronskim mikroanalizatorjem in metalografskih posnetkov (sliki 5 in 6) lahko ugotovimo, da je na mejni ploskvi spajka/trda kovina nastala tanka plast (= 20 -f- 40 um), verjetno intermetalnc spojine bogate na Fe in Co. Zal naš elektronski mikroanalizator ne omogoča določitve porazdelitve C. tako tla se lahko zaenkrat opiramo le na podatke drugih raziskovalcev4. Difuzija C je možna tako iz jekla preko spajke, kot tudi / razkrojem WC in difuzijo W ter C na mejno cono. Pri preučevanju sistema Co-Cu-Fe-W pri temperaturi spajkanja in njegovega podsistema /. C kaže. da je možen nastanek vrste spojin, ki so /eio stabilne. Poleg p faze (Co.Fe)7W,(Co,Fe.W)4 se z ožirom na veliko negativno Gibbsovo energijo pojavljajo predvsem cemen-titne faze M,C ([Co,Fe,W|.C), M,.C in M,,C. Energetsko najugodnejša faza je M, C. vendar analize (točkovna analiza /. WDX) kažejo, da pri krajših časih spajkanja nastaja predvsem faza VI ,C. Gibbsova energija te cementitne faze je za več kol dvakrat manjša kot je Gibbsova energija WC. Zato lahko sklepamo, da WC iz karbidne trdine razpada. Sproščeni C in W ter Co i/ matriksa pa difundirajo na mejno cono spajka/karbidna trdina.
C in C o dosežeta Fe prisotno na mejni coni hitreje kot W. ker je difuzijski koeficient C v Fe zaradi njegove intersticijske topnosti izredno velik, Co pa je prisoten v trdni raztopini matriksa. Difuzija W je najpočasnejša zato lahko sklepamo, da le ta nadzira proces nastanka spojinske cone in pri zelo kratkih časih spajkanja bo energetsko najugodnejši nastanek stabilne cementitne faze revne na W. Torej v začetni fazi lahko C in Fe zaradi velikega gradienta koncentracije difundirata preko spajke na mejno cono spajka/karbidna trdina. Z nastankom cementitne faze kemični potencial C pade in takrat so izpolnjeni pogoji za razpad WC i/ trde kovine, difuzijo C in W na mejno cono karbidna trdina/spajka ter nadaljno rast in razvoj spojinske faze.
Nastanek tanke spojinske plasti na meji spajka/karbidna trdina nekateri avtorji4 združeno s pojavom mikroporoznosti povezujejo s poslabšano trdnostjo vakuumskega spoja. Nastanek mikroporoznosti pri spajkanju s čistim Cu razlagajo s hitrejšo difuzijo Co iz matriksa karbidne trdine, kot difuzijo drugih možnih elementov v karbidno trdino (Kirkendallov efekt). V našem primeru mikroporoznosti nismo opazili, iz česar bi lahko sklepali, da je difuzija Co upočasnjena, oziroma da Fe ter predvsem Ni. ki smo ga v povečani koncentraciji tudi našli v mejni coni (Ni in Fe tvorita s Co sistem popolne topnosti v trdnem in torej Ni oziroma Fe lahko zamenjujeta Co v matriksu karbidne trdine) zapolnjujeta zaradi difuzije Co izpraznjena mesta.
Na mejni coni jeklo/spajka ni opaziti podobne tvorbe spojinske cone kot je opazna na mejni coni spajka/karbidna trdina.
Mejna cona jeklo/spajka je obogatena z Cu. Ni in Co (slika 6>. C o in Ni tvorita sistem popolne topnosti v trdnem z Fe. topnost Cu v y Fe je pri temperaturi spajkanja cca 7.5';. Zato lahko i/ tega in i/ morfologije mejne cone (slika 5) sklepamo, da je prišlo do interkristalne difuzije, raztapljanja omenjenih elementov v Fe in tvorbe homogene trdne raztopine v sistemu Fe-Co-Ni-Cu na mejni coni jeklo/spajka.
Splošna slika analize tujega vzorca torej kaže. da je pri spajkanju delcev karbidne trdine na konstrukcijsko jeklo z Cu-Ni spajko prišlo do trdne difuzijske vezave. Na sliki 7 je shematično prikazan spoj z možnimi smermi difuzije posameznih elementov in nastalima mejnima conama. Trdota osnovnega jekla je 140 HV,. karbidne trdine 1474 HV, in spajke 99 HV(1I.
plast obogatena spojinska cona (Me C) s Co, Ni*-Fe iz bogata na Co in Fe, jekla	delno tudi Ni
konstrukcijsko ' spajka jeklo 0,2% C / (Cu - 4% Ni) (ferit+15% peri it)
zrno karbidne trdine
-- Cu+Ni
otočki Co+Fc
o
O o O O
interkristalna difuzija Cu
plast obogatena s Cu in osiromašena s Co
Slika 7: Shematični prikaz spoja tujega vzorca z difuzijo posameznih elementov in nastalima mejnima conama Figure 7: Schematic presentation of brazing joint and the diffusion flows of the individual elements \vith generated border zones (foreign sample of grinding wheel)
Pri analizi na IMT izdelanih vzorcev brusilnih plošč moramo upoštevati, da smo v primerjavi s tujim vzorcem kot osnovo izbrali drugo jeklo z v išjo vsebnostjo C. legirano s Cr ter rahlo tudi z Mo. Tudi uporabljena spajka je imela nekaj niž jo vsebnost Ni. Naknadno smo z meritvami trdote tudi ugotovili, da ima karbidna trdina višjo trdoto od deklarirane, kar pomeni, da so zrnca karbidne trdine revnejša na C o kot osnovi in je delež \VC v trdini nekaj višji. Zato torej lahko smatramo, da smo v našem primeru uporabili delce karbidne trdine kvalitetnega razreda K10 po ISO standardu z Vickersov o trdoto nad 1700 HV. I/ brusilne plošče smo izrezali vzorce za metalografske preiskave in določitev porazdelitve posameznih elementov po preseku vzorca v elektronskem mikroanalizatorju. Na sliki 8 je prikazana porazdelitev posameznih elementov dobljena z elektronskim mikroanalizatorjem. Dobro je vidno, da je Fe difundiralo na mejne ploskve spajka/karbidna trdina. W je ostal v karbidni trdini. Zato lahko sklepamo, daje difuzija W v spajko zanemarljiva in je omejena le na mejno cono karbidna trdina/spajka. Nikelj je v spajki. Povečano koncentracijo Ni pa opazimo tudi na mejnih ploskvah jeklo/spajka in spajka/karbidna trdina. Povečana koncentracija Co je opazna tako na mejni ploskvi karbidna trdina/spajka kot tudi na mejni ploskvi spajka/jeklo. iz česar lahko sklepamo daje Co difundiral iz karbidne trdine na mejno ploskev karbidna trdina/spajka in preko spajke na mejno ploskev spajka/jeklo. Prisotnost Mn je opazna na mejni coni karbidna trdina/spajka. Zaradi prisotnosti Cr v jeklu je prišlo tudi do difuzije Cr. Difuzija Si je zanemarljiva. Na osnovi predhodnih ugotovitev, porazdelitve elementov dobljene z elektronskim
Slika 9: Mikrostrukture spoja zrno karbidne trdine/konstrukcijsko jeklo vzorcev na IMT izdelanih brusnih plošč Figure 9: Mierostruetures of cemented carbide particle/structural steel joint of the grinding wheels produced at IMT Ljubljana
Otočki obogateni s Fe in Co so na nekaterih mestih opazni tudi v sami spajki predvsem na mestih, kjer se karbidno zrno najbolj približa jekleni osnovi. Iz tega lahko sklepamo, da gre v celotnem procesu predvsem za intenzivno difuzijo teh dveh elementov. če odmislimo intersticijski ogljik, katerega difuzijo zaradi tehničnih omejitev nismo mogli analizirati. Metalografske preiskave so pokazale tudi. da so bila nekatera od uporabljenih zrnc karbidne taline razpokami. Okoli razpok je opazna tanka plast karbidne trdine, ki je osiromašena s C o. Iz tega lahko sklepamo, tla so tudi ta poškodovana mesta intenzivno sodelovala pri difuziji Co med procesom spajkanja (slika 9).
Analiza na IMT Ljubljana izdelanih vzorcev brusnih plošč (slika lbl torej kaže, da smo pri spajkanju delcev karbidne trdine na konstrukcijsko jeklo z Cu-2c/< Ni spajko dosegli trdno difuzij-sko vezavo. Na sliki 10 je shematično prikazan spoj z možnimi smermi difuzije posameznih elementov in nastalima mejnima conama. Mikrostrukturne značilnosti spoja so podobne tujemu vzorcu z nekaj pričakovanimi razlikami. Mikrostruktura jekla je feritno-perlitna s pretežno perlitno osnovo in redkimi zrni ferita. Izmerjene trdote so višje kot pri tujem vzorcu. Tako je trdota osnovnega jekla 196 HV,, karbidne trdine 1981 HV, in spajke
I 1 1 HV„Pri tujem vzorcu je izrazito opazna le mejna spojin-ska plast bogata na Fe in Co na strani spajka/karbidna trdina medtem, ko lahko pri naših vzorcih opazimo plast izrazito bogato na Co tudi na strani jeklo/spajka. Izrazitejše je tudi osiro-mašenje karbidne trdine s Co v delu karhidnih zrn tik za med spajkanjem na novo nastalo difuzijsko plastjo. Zaradi prisotnosti Cr v jeklu je prišlo tudi do difuzije Cr na mejno cono spajka/karbidna trdina. Opazna je tudi prisotnost difuzije Mn, kije pri tujem vzorcu nismo opazili. Raziskave kažejo tudi. da izbrano jeklo ni najprimernejše. Ugodnejše bi bilo v prihodnje uporab-
mikroanalizatorjem in metalografskih posnetkov (sliki 8 in 9) lahko ugotov imo, da je na mejnih ploskvah spajka/lrda kovina nastala tanka plast (=2(1 -=- 3(1 um) intermctalne spojine bogate na Fe in Co. oziroma kar je še verjetneje zaradi difuzije C cemen-titna faza Mc\C. Debelina nastale plasti je odvisna od debeline plasti spajke oziroma oddaljenosti karhidnih zrn od jeklene osnove in seveda temperature ter časa zadrževanja na temperaturi spajkanja. Na določenih mestih je povečana koncentracija Co in Fe tako opazna tudi v sami spajki. Zaradi intenzivne difuzije C o iz karbidne trdine opazimo izrazito osiromašenje s Co za spojin-sko plastjo na mejni coni spajka/karbidna trdina. Vendar na teh mestih opazimo povečano koncentracijo Fe. Cu in Ni iz česar lahko sklepamo, da je v nasprotni smeri potekala difuzija teh elementov. Poleg Fe. Co. Ni. W (verjetno tudi C) sta prisotna na mejni coni spajka/karbidna trdina tudi Cr in Mn. Zato lahko trdimo. da je pri spajkanju prišlo do nastanka zares kompleksne spojine. Kot ugotav Ijajo tuji avtorji4 je spoj na tem mestu najšibkejši. ker je le ta spojinska plast po svoji naravi verjetno krhka.
Na mejni coni jeklo/spajka ne moremo trditi, da je prišlo do tvorbe podobne spojinske cone kot je opazna na mejni coni spajka/karbidna trdina. Vendar je tudi tu prisotna izrazito povečana koncentracija Co. Toda opazna je odsotnost W in tudi osiromašenje na Fe zaradi difuzije preko spajke proti karbidni trdini. Mejna cona jeklo/spajka je obogatena tudi z Cu in Ni I slika 8). Zato lahko iz tega in iz morfologije mejne cone (slika 9) sklepamo, da je prišlo do interkristalne difuzije, raztapljanja omenjenih elementov v jeklu in tvorbe homogene trdne raztopine v sistemu Fe-Co-Ni-Cu na mejni coni jeklo/spajka.
Slika S: Porazdelitev elementov na spoju zrno karbidne trdine/konstrukci jsko jeklo vzorcev na IMT izdelanih brusnih plošč Figure 8: Elements distribution al the cemented carbide particle/structural steel joint (at IMT produced grinding vvheel sample)
karbidno trdina
100/j m
spojka
JOOpm
karbidna trdina
Ijati bolj žilavo (mehko) nelegirano nizko ogljično konstrukcijsko jeklo (=0.29< C) z dodatkom Al. ki preprečuje rast zrn med spajkanjem Še pri ogrevanju nad 1000 C.
Najpomembnejša procesna parametra sta temperatura spajkanja in čas zadrževanja na tej temperaturi. Previsoka temperatura in predolgi časi omogočajo nastanek debelejših plasti trde in krhke cementitne faze na mejni coni spajka/trda kovina. To tudi povzroča povečano osiroma.šenje mejnih plasti karbidne trdine s Co. tvorbo praznin zaradi Kirkendallovega efekta in s tem oslabitev spoja. Možen je tudi povečan razpad WC zaradi difuzije W in C na mejno cono. Zato so verjetno primernejše nižje temperature (tik nad tališčem spajke) in kratki časi zadrževanja na temperaturah spajkanja. Vedar pa morajo biti izbrani pogoji spajkanja takšni, da še omogočajo tvorbo trdnega difuzi j-skega spoja.
plast obogatena .spojinska cona (Me C)
s Co, Ni+Fe iz bogata na Fe, Co, Ni, Cr in Ati
jekla
jeklo za	'spajka
pobol jšan je	(Cu - 2% Ni ]
(0,5% C, 1% Cr, 0,2% Mol	j
(peri it t 20% teritl
zrno karbidne trdine
M

U
n otočki Co+Fe
o o o
I w*c
plast osiromašena na I e, bogata na Cu (interkristalna rlituzi ja Cu)
plast osi romašena s Co, obogatena s Cu
Slika 10: Shematični prika/ spoja na IMT izdelanih vzorcev brusnih plošč / difuzijo posameznih elementov in nastalima mejnima conama Figure 10: Schematic presentation of brazing joint and the diffusion flovvs of the individual elements vv ith generated border zones (grinding vvheels produced al IMT, Ljubljana)
4. Zaključek
Osvojili smo postopek izdelave kovinskega prahu Cu-2% Ni primernega kot dodajni material za trdo spajkanje ostrorobih delcev karbidne trdine na konstrukcijsko jeklo. Osvojen je postopek vakuumskega spajkanja zrn karbidne trdine na konstrukcijsko jeklo, oziroma celoten postopek izdelave cilindričnih brusnih plošč primernih za pritrditev na priročno brusilko. Z nadaljnimi preizkusi in raziskavami bomo poizkušali optimirati postopek in razviti druge oblikovno zanimive vrste brusnih plošč. Nadaljne raziskave na tem področju naj bi pokazale tudi katera kombinacija materialov (jeklo/spajka/WC-Co) daje najtrdnejši spoj. Načrtujemo preizkuse z različnimi vrstami jekel (konstrukcijska
jekla z. različno vsebnostjo ogljika, legirana jekla itd.), spajk (čisti Cu. Cu legiran z različno vsebnostjo Ni itd.) in karbidnih trdin.
S pomočjo metalografskih preiskav, analiz na elektronskem mikroanalizatorju in meritev trdote smo delno okarakterizirali spoj zrn karbidne trdine s konstrukcijskim jeklom pri spajkanju s spajko Cu-Ni. Difuzijski spoj je trden in brez opaznih napak. Njegova mikrostrukturna značilnost je tanka plast, intermetalne spojine iz sistema Fe-Co(-W-Cr-Cu-Ni) ali kar je še verjetneje cementitne faze tipa M^C. na meji spajka/karbidna trdina in interkristalna difuzija na meji jeklo/spajka. Šele natančnejše in sistematične preiskave z elektronskim mikroanalizatorjem (energijsko disperzijskim spektrometrom SEM/EDX) občutljivim za določitev porazdelitve lahkih elementov (predvsem C in O). Augerjeva profilna in točkovna analiza ter rentgenska strukturna analiza nam lahko v celoti razloži procese večfazne difuzije, ki potekajo med spajkanjem. Istočasno pa ob poznavanju in upoštevanju vseh termodinamičnih in kinetičnih zakonitosti, odgovorijo v celoti na to, kakšna je spojinska cona na meji jeklo/spajka in predvsem na meji spajka/karbidna trdina.
Literatura
D. Kmetic in sodelavci: Visokotemperaturno spajkanje / istočasno toplotno obdelavo v vakuumu, IMT Ljubljana. Poročilo IMT ^t.: 89-064. November 1991
D.	Kmetič in sodelavci: Spajanje orodnih jekel na konstrukcijska jekla v vakuumski žarilni peči. Poročilo IMT Ljubljana št.: MI 87-032. November I98S
E.	Klar and coauthors: Part 3: Production of Metal Povvders and Part 7: Povvder Svstems and Applications-Subsections: Cemented earbides and Metal Povvders Used for Brazing and Soldering, Metal Handbook. 9. edition. Volume 7. Povvder Metallurgv
4 M. Stiick, K. Hack: Thermochemical Aspects of Multiphase Diffusion
during Brazing of Hard Metal. Z. Metulikd. 84. 1993, 11. 759-766 1 Komercialni prospekt: DEGUSSA (Lote. Lotpasten. Flussmittel), MH
58-4-889 B. Hanau. Nemčija ' Komercialni prospekt: MAHLER, Brazing in Protective-gas and Vacuum Furnaces, Esslingen, Nemčija
B. Šuštaršič. B. Breskvar. V. Leskovšek, A. Rodič: Microstructural characteristics of vvater atomized Cu-based povvders for brazing. Proceedings of 30. Sv mposium on Dev ices and Materials SD'94. Zreče. Slovenia. 239-244 " J. J. Dunklev: The Production of Metal Povvders bv VVater
Atomization. Powder Metallitri>y International, 10. 1978. 1.38-41 '' J. J. Dunklev. J. D. Palmer: Factors Affecting Particle Size of Atomized Metal Povvders, Ponder Metallurgy International. 29. 1986. 4. 287-290
10 MPIF: Standard Test Methods for Metal Povvders and Povvder Metallurgy Products, Metal Povvder Industries Federation. Edition 1985/1986, Princeton, Nevv Yersey : J. J. Dunklev: The Factors Determining the Oxygen Content of VVater Atomized 304L Stainless Steel Povvder, Reprint of Paper Presented at the National PM Conference, Philadelphia. U.S.A., Mav 1981. Davv-Loevv v R&D Centre