RU2011488C1 - Design of permanent joint - Google Patents
Design of permanent joint Download PDFInfo
- Publication number
- RU2011488C1 RU2011488C1 SU5002246A RU2011488C1 RU 2011488 C1 RU2011488 C1 RU 2011488C1 SU 5002246 A SU5002246 A SU 5002246A RU 2011488 C1 RU2011488 C1 RU 2011488C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- porous
- metal
- thickness
- gasket
- elbor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к пайке и сварке и может найти применение в различных областях машиностроения для получения жаропрочных соединений металлов с неметаллами в конструкциях с аксиальной симметрией пайки или сварки, предназначенных для работы в условиях комплексного термомеханического нагружения соединения при воздействии температур, превышающих 1000оС.The invention relates to soldering and welding, and may find application in various fields of engineering to produce refractory metal compounds with nonmetals in designs with axial symmetry soldering or welding destined to work in conditions of complex compounds thermomechanical loading when subjected to temperatures greater than 1000 ° C.
Известна конструкция компенсационного спая для металлокерамических узлов (МКУ), в которой термические напряжения компенсируются за счет введения в конструкцию соединения тонкостенной манжеты компенсаторного кольца и специального профиля металлического основания [1] . The known design of the compensation junction for cermet units (MCU), in which thermal stresses are compensated by introducing into the joint structure a thin-walled cuff of the expansion ring and a special profile of the metal base [1].
Недостатком известной конструкции является сложность ее изготовления и, особенно, низкие характеристики механической прочности соединения, которое может удовлетворительно работать только при простом осевом нагружении. A disadvantage of the known design is the complexity of its manufacture and, especially, low characteristics of the mechanical strength of the joint, which can satisfactorily work only with simple axial loading.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату следует отнести паяную конструкцию, в которой припой используется в комплекте с пористым металлическим наполнителем, размеры пор которого составляют 0,1. . . 10 мкм [2] . The closest to the invention in terms of technical nature and the achieved result should be attributed to the solder construction, in which the solder is used in conjunction with a porous metal filler, the pore size of which is 0.1. . . 10 microns [2].
Недостатком известной конструкции является низкие показатели прочности, твердости и термостойкости паяного шва в связи с тем, что в качестве припоев используют легкоплавкие сплавы, которые не должны растворять пористый металлический наполнитель. A disadvantage of the known design is the low strength, hardness and heat resistance of the soldered seam due to the fact that fusible alloys are used as solders, which should not dissolve the porous metal filler.
Целью изобретения является увеличение прочности и твердости соединения. The aim of the invention is to increase the strength and hardness of the connection.
Это достигается тем, что конструкция неразъемного соединения, содержащая металлические и неметаллические элементы и размещенную между ними прослойку, имеет пористую прослойку с величиной пористости от 30 до 80% . This is achieved by the fact that the design of the permanent connection containing metal and nonmetallic elements and an interlayer located between them has a porous interlayer with a porosity of 30 to 80%.
При этом оптимальная толщина прослойки прямо пропорциональна толщине металлической части конструкции и обратно пропорциональна ее пористости. In this case, the optimal thickness of the interlayer is directly proportional to the thickness of the metal part of the structure and inversely proportional to its porosity.
Для увеличения прочности соединения конструкция снабжена элементом жесткости, размещенном в пористой прослойке; кроме того, металлическая часть конструкции выполнена составной с размещением пористой прокладки между металлическими частями. To increase the strength of the connection, the design is equipped with a stiffening element located in the porous layer; in addition, the metal part of the structure is made integral with the placement of the porous strip between the metal parts.
На фиг. 1 представлена прослойка губчатого строения с преимущественной лабиринтной формой пор; на фиг. 2 - график прочности на срез (τcр) в зависимости от толщины пористой прокладки; на фиг. 3 - конструкция с промежуточной прослойкой, содержащей цилиндрические элементы жесткости: а) - гладкий; б) - гофрированный; в) - спиральный; на фиг. 4 - конструкция, в которой металлический элемент выполнен из спеченной порошковой композиции; на фиг. 5 - составная конструкция, в которой общая толщина прослойки разбита на две части для запаивания неметаллического элемента в толстостенном металлическом; на фиг. 6 - одна из возможных комбинаций исполнения с учетом перечисленных выше вариантов; на фиг. 7 - лезвийный инструмент для отработки материалов резанием.In FIG. 1 shows a layer of spongy structure with a predominant labyrinth pore shape; in FIG. 2 is a graph of shear strength (τ cp ) depending on the thickness of the porous strip; in FIG. 3 - design with an intermediate layer containing cylindrical stiffeners: a) - smooth; b) - corrugated; c) - spiral; in FIG. 4 is a structure in which a metal element is made of sintered powder composition; in FIG. 5 is a composite structure in which the total thickness of the interlayer is divided into two parts for sealing a non-metallic element in a thick-walled metal; in FIG. 6 - one of the possible combinations of execution, taking into account the above options; in FIG. 7 - a blade tool for working out materials by cutting.
В качестве примера на фиг. 1. . . 5 представлена конструкция паяного соединения кубического нитрида бора (эльбора-Р) со сталью, которая после соответствующей заточки используется в качестве лезвийного инструмента для обработки материалов резанием. As an example in FIG. 1. . . Figure 5 shows the design of the brazed connection of cubic boron nitride (Elbor-R) with steel, which, after appropriate sharpening, is used as a blade tool for processing materials by cutting.
Пористая прослойка 1 (фиг. 1) имеет высокую пористость - около 60% . Благодаря губчатому строению прослойки и наличию в ней малых и больших пор имеются большие возможности смещений частиц металла как в упругой, так и пластической области. Чтобы использовать только упругие деформации прослойки, необходимо ограничить ее пластические свойства повышением твердости и прочности. Путем многочисленных замеров микротвердости промежуточной прокладки установлено, что конструкции соединений металлов с неметаллами удовлетворительно работают на ударные и вибрационные нагрузки при твердости материала прокладки не ниже 40 ед. НRC, т. е. , в основном, в зоне ее упругих перемещений. The porous interlayer 1 (Fig. 1) has a high porosity of about 60%. Due to the spongy structure of the interlayer and the presence of small and large pores in it, there are great opportunities for displacements of metal particles in both the elastic and plastic regions. To use only elastic deformations of the interlayer, it is necessary to limit its plastic properties by increasing hardness and strength. Through numerous measurements of the microhardness of the intermediate strip, it was found that the structures of metal compounds with nonmetals satisfactorily work on shock and vibration loads with a hardness of the strip material not lower than 40 units. HRC, i.e., mainly in the zone of its elastic displacements.
Упругие деформации губчатой прослойки 1 позволяют полностью компенсировать тепловые перемещения стальной части 2, представленной на фиг. 1 зоны соединений, и полностью нейтрализовать влияние температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в соединениях с неметаллической частью конструкций. Следует отметить, что даже при очень высоких температурах пайки или сварки, такое строение промежуточного слоя позволяет предотвратить от разрушения многие неметаллические материалы - керамику, стекло, различные сверхтвердые синтетические материалы, и в то же время использовать сколь угодно тугоплавкие, прочные и твердые материалы для промежуточного слоя. Конструкции на паяных или сварных пористых прокладках выдерживают большие механические и тепловые нагрузки, в том числе ударные, вибрационные, термоциклические и др. The elastic deformations of the
Основными факторами, влияющими на качество конструкции неразъемного соединения, являются толщина пористой прослойки, размеры металлической части конструкции, пористость и физико-механические свойства материала прослойки. The main factors affecting the quality of the design of the permanent connection are the thickness of the porous layer, the dimensions of the metal part of the structure, porosity and the physicomechanical properties of the material of the layer.
На фиг. 2 представлен график зависимости прочности на срез от толщины пористой прокладки для соединения эльбора со сталью. График получен в результате статистической обработки материалов при испытаниях на срез образцов, в которых использовался сплав Ti-Fe-Ni в качестве материала прокладки с твердость 50. . . 54 ед. НRC и пористостью в 50% . Внешний диаметр стальной гильзы составлял 10 мм, внутренний для запайки эльбора от 4,00 до 5,00 мм. In FIG. 2 is a graph of shear strength versus porous gasket thickness for joining elbor with steel. The graph was obtained as a result of statistical processing of materials during shear tests of samples in which the Ti-Fe-Ni alloy was used as a gasket material with a hardness of 50.. . 54 units HRC and porosity of 50%. The outer diameter of the steel sleeve was 10 mm, the inner diameter for sealing the elbor from 4.00 to 5.00 mm.
В результате анализа графической зависимости было определено: образцы с толщиной промежуточной пористой прокладки менее 0,2 мм имеют трещины от термических послепаечных напряжений по эльбору;
образцы с толщиной прокладки более 0,2 до 0,35 м имеют достаточно высокие показания прочности на срез при полном отсутствии трещин и разрушений по эльбору;
образцы с толщиной прокладки более 0,35 мм имеют низкие показатели прочности соединения при отсутствии трещин и разрушений на эльборе.As a result of the analysis of the graphic dependence, it was determined: samples with an intermediate porous gasket thickness of less than 0.2 mm have cracks from thermal after-solder stresses along the elbor;
samples with a laying thickness of more than 0.2 to 0.35 m have sufficiently high indications of shear strength with the complete absence of cracks and fractures along the elbor;
specimens with a laying thickness of more than 0.35 mm have low bond strengths in the absence of cracks and fractures on the elbor.
Экспериментальные исследования прочности соединений эльбора со сталью осуществлялись также с целью проверки теоретической зависимости по определению основных параметров телескопической конструкции;
S = 
α - ТКЛР металлической части паяной или сварной конструкции 1/град. ;
Тп - температура пайки или сварки в оС;
D-d - внешний и внутренний диаметры металлической (охватывающей) части коаксиальной конструкции, мм;
П - пористость припоя;
Р - нагрузка на пористую структуру, Н/м2 или МПа;
μ - коэффициент Пуассона для материала пористой прокладки.Experimental studies of the strength of elbor joints with steel were also carried out with the aim of checking the theoretical dependence for determining the main parameters of the telescopic structure;
S =
α - TECL of the metal part of the soldered or
T p - the temperature of the solder or welding in about ;
Dd - external and internal diameters of the metal (covering) part of the coaxial structure, mm;
P - solder porosity;
P is the load on the porous structure, N / m 2 or MPa;
μ is the Poisson's ratio for the material of the porous strip.
При помощи представленной зависимости определяются основные параметры разрабатываемых конструкций алмазного лезвийного инструмента для серийного производства, при этом толщина S прокладки имеет прямо пропорциональную зависимость от двойной толщины металлической части (D-d), обратно пропорциональна пористости промежуточного слоя (П) и зависит от физико-механических свойств материала прослойки (Е, α, μ). Using the presented dependence, the main parameters of the developed designs of diamond blade tools for serial production are determined, while the thickness S of the gasket is directly proportional to the double thickness of the metal part (Dd), inversely proportional to the porosity of the intermediate layer (P) and depends on the physicomechanical properties of the material interlayers (E, α, μ).
Нагрузка Р при расчетах подбирается из условий работы промежуточной прокладки: в упругой зоне; в упругопластической зоне; при условии Р = (σ)cж. , т. е. допускаемых напряжений на сжатие неметаллической части конструкции.The load P in the calculations is selected from the operating conditions of the intermediate strip: in the elastic zone; in the elastoplastic zone; under the condition P = (σ) cf. , i.e., permissible compressive stresses of the non-metallic part of the structure.
Определяя по приведенной зависимости толщины прокладок, легко убедиться, что возможности получения качественных конструкций ограничены. Например, при заделке эльбора с размерами l = d = 4 мм увеличение расчетной толщины прокладки составляет (для материалов, использованных при получении графической зависимости фиг. 2):
для D = 8 мм, S = 0,15 мм;
D = 10 мм, S = 0,22 мм;
D = 12 мм, S = 0,30 мм;
D = 16 мм, S = 0,45 мм.Determining from the given dependence of the thickness of the gaskets, it is easy to make sure that the possibilities of obtaining high-quality structures are limited. For example, when embedding an elbor with dimensions l = d = 4 mm, the increase in the calculated thickness of the gasket is (for materials used in obtaining the graphical dependence of Fig. 2):
for D = 8 mm, S = 0.15 mm;
D = 10 mm, S = 0.22 mm;
D = 12 mm, S = 0.30 mm;
D = 16 mm, S = 0.45 mm.
Поскольку график (фиг. 2) получен для D = 10 мм, то расчетное значение S = 0,22 совпадает с максимальными значениями прочности при отсутствии разрушений на поликристалле эльбора. Однако зазор S = 0,45 мм при диаметре стальной державки D = 16 мм не обеспечит надлежащей прочности соединения. С другой стороны, произвольное уменьшение зазора S неизбежно приведет к увеличению послепаечных напряжений, появлению трещин на поликристалле эльбора и неудовлетворительной работе конструкции - разрушении режущей части при лезвийной обработке. Since the graph (Fig. 2) was obtained for D = 10 mm, the calculated value of S = 0.22 coincides with the maximum strength values in the absence of damage to the Elbor polycrystal. However, a gap of S = 0.45 mm with a diameter of a steel holder D = 16 mm will not provide adequate bond strength. On the other hand, an arbitrary decrease in the clearance S will inevitably lead to an increase in after-solder stresses, the appearance of cracks in the polyboron elbor and unsatisfactory construction work - destruction of the cutting part during blade processing.
В этом случае предлагается использовать несколько конструктивных решений. In this case, it is proposed to use several design solutions.
На фиг. 3 представлено три варианта увеличения прочности пористых прокладок толщиной S = 0,3. . . 0,4 мм. In FIG. Figure 3 shows three options for increasing the strength of porous gaskets with a thickness of S = 0.3. . . 0.4 mm.
Вариант а). В пористую прокладку впаивается цилиндрический элемент жесткости с толщиной стенки 0,1. . . 0,15 мм из тугоплавкого металла, например молибдена или вольфрама. Необходимым условием выполнения усиления прокладки является отсутствие растворения материала элемента жесткости при запаивании в прокладке. Вариант дает, в среднем увеличение прочности пористой прокладки на 25% . Option a). A cylindrical stiffener with a wall thickness of 0.1 is soldered into the porous pad. . . 0.15 mm from a refractory metal, such as molybdenum or tungsten. A prerequisite for the reinforcement of the gasket is the absence of dissolution of the material of the stiffening element when sealed in the gasket. The option gives, on average, an increase in the strength of the porous pad by 25%.
Вариант б). В пористую прокладку впаивается цилиндрический гофрированный элемент жесткости с толщиной 0,1. . . 0,15 мм также из тугоплавкого металла. При размерах поликристалла l/d<1 выполняются гофры продольные аксиальной симметрии соединения (как представлено на чертеже); при соотношении l/d<1 - поперечные. Данный вариант позволяет увеличить прочность соединения до 30% . Option b). A cylindrical corrugated stiffener with a thickness of 0.1 is soldered into the porous pad. . . 0.15 mm also made of refractory metal. When the size of the polycrystal l / d <1 corrugations are performed longitudinal axial symmetry of the compound (as shown in the drawing); with a ratio l / d <1 - transverse. This option allows you to increase the strength of the connection up to 30%.
Вариант в). В пористую прокладку впаивается спиральный элемент жесткости из тугоплавкого металла, свернутый из листа толщиной 0,1. . . 0,15 мм. Позволяет увеличить прочность на 25% при толщине прокладки от 04, до 0,5 мм. Option c). A spiral stiffener made of refractory metal rolled from a sheet 0.1 thick is soldered into a porous pad. . . 0.15 mm. Allows you to increase the strength by 25% with the thickness of the gasket from 04 to 0.5 mm.
На фиг. 3 обозначения: 1 - металлический корпус, 2 - эльбор, 3 - прокладка, 4 - элемент жесткости. In FIG. 3 designations: 1 - metal body, 2 - elbor, 3 - gasket, 4 - stiffener.
Все предложенные конструкции с элементами жесткости в пористой прокладке создают также условия, препятствующие коагуляции пор в крупные раковины и тем самым позволяют выполнять мелкопористое строение промежуточной прокладки. All proposed constructions with stiffening elements in a porous gasket also create conditions that impede coagulation of pores into large shells and thereby allow the finely porous structure of the intermediate gasket.
На фиг. 4 представлена конструкция, в которой металлический корпус 1 выполнен из спеченной порошковой композиции. В этом случае в расчетах конструкции учитывается пористость порошкового корпуса, который позволяет уменьшить толщину пористой прокладки 2 между корпусом 1 и эльбором 3 и значительно повысить прочность соединения. Например, изготовление корпуса из спеченных твердосплавных материалов с пористостью не более 10% по расчетам в зависимости от значений D - d позволяет уменьшить толщину пористой прокладки на 10. . . 20% , а прочность соединения увеличить на 50. . . 100% . In FIG. 4 shows a structure in which the
На фиг. 5 представлена составная конструкция, предназначенная для дифференцирования или разделения пористых прокладок большой толщины S > 0,5 мм путем введения в основную стальную державку 1 дополнительного стального элемента 2, в который затем крепиться эльбор 3. При этом пористая прокладка 4 между державкой и дополнительным элементом вместе с прокладкой 5 между эльбором и элементом 2 в сумме должна составлять расчетное значение S. Например, для крепления эльбора в стальной державке диаметром 20 мм или 20х20 мм по расчетам необходима прокладка толщиной в 0,75 мм. Эта толщина делится либо поровну, либо по расчету для эльбора в зависимости от диаметра дополнительного элемента 2. Например, расчетная величина прокладки между эльбором 3 и элементом 2 составила S = 0,25 мм. Тогда толщина прокладки между державкой 1 и элементом 2 составит 0,5 мм. В этом случае прокладка 4 между державкой 1 и эементом 2 может выполняться по фиг. 3 в. Дифференцирование пористых прокадок позволяет "гасить" ступенчато послепаечные напряжения, для чего можно расчетный зазор в 0,75 мм разделить на три части и ввести в конструкцию дополнительный элемент, т. е. иметь три прокладки по 0,25 мм, что предотвратит эльбор от разрушения и увеличит демпфирующие свойства конструкции, особенно необходимые при работе соединения на вибрацию и удар. In FIG. 5 shows a composite structure designed to differentiate or separate porous gaskets of large thickness S> 0.5 mm by introducing an
На фиг. 6 представлен один из вариантов комбинации всех видов предыдущих конструкций. В представленной конструкции стальной корпус 1 соединен с порошковым спеченным элементом 2 посредством прокладки 4, имеющей тугоплавкий элемент жесткости 5, в свою очередь спеченный порошковый элемент через прокладку удерживает эльбор. В данном случае имеет место комбинированная система снятия послепаечных напряжений и создание высоких демпфирующих свойств соединения. In FIG. 6 shows one of the combinations of all types of previous designs. In the presented design, the
Предложенный вариант комбинированной конструкции по фиг. 6 без тугоплавкого элемента 5 используется для изготовления эльборовых сверл в опытном варианте. Сверла предназначены для замены низкопроизводительных алмазных сверл по неметаллическим материалам - бетону, мрамору и др. строительным материалом. The proposed combination design of FIG. 6 without a
Предложенные конструкции используются как в серийном производстве лезвийного инструмента из композиционных сверхтвердых материалов на основе нитрида бора и синтетического алмаза, так при разработке новых видов инструмента (фиг. 7). Такой инструмент позволяет вести мехобработку на повышенных режимах резания, не боится нагрева режущих элементов до 800оС, выдерживает большие ударные нагрузки за счет демпфирующих свойств промежуточных прокладок. В серийном производстве брак не превышает 2. . . 3% . Высокое качество крепления позволяет изготавливать инструмент, например, из эльбора в канавочном и резьбонарезном исполнении.The proposed designs are used both in the serial production of a blade tool from composite superhard materials based on boron nitride and synthetic diamond, and in the development of new types of tools (Fig. 7). Such a tool allows machining at high cutting conditions, without fear of cutting elements heating up to 800 ° C, withstand large shock loads due to the damping properties of intermediate spacers. In serial production, marriage does not exceed 2.. . 3% High quality fastening allows you to make a tool, for example, from elbor in groove and thread-cutting performance.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5002246 RU2011488C1 (en) | 1991-07-01 | 1991-07-01 | Design of permanent joint |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5002246 RU2011488C1 (en) | 1991-07-01 | 1991-07-01 | Design of permanent joint |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011488C1 true RU2011488C1 (en) | 1994-04-30 |
Family
ID=21585184
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5002246 RU2011488C1 (en) | 1991-07-01 | 1991-07-01 | Design of permanent joint |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2011488C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2574549C2 (en) * | 2013-04-12 | 2016-02-10 | Альстом Текнолоджи Лтд | Structure for joining of heat-insulating material with metal structure |
| US9764530B2 (en) | 2013-04-12 | 2017-09-19 | Ansaldo Energia Ip Uk Limited | Method for obtaining a configuration for joining a ceramic material to a metallic structure |
-
1991
- 1991-07-01 RU SU5002246 patent/RU2011488C1/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2574549C2 (en) * | 2013-04-12 | 2016-02-10 | Альстом Текнолоджи Лтд | Structure for joining of heat-insulating material with metal structure |
| US9764530B2 (en) | 2013-04-12 | 2017-09-19 | Ansaldo Energia Ip Uk Limited | Method for obtaining a configuration for joining a ceramic material to a metallic structure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101021461B1 (en) | Bonding structure and bonding method for cemented carbide and diamond element, cutting tip and cutting element for drilling tool, and drilling tool | |
| KR860000113A (en) | Composite Sintered Material Seal and Manufacturing Method | |
| Hao et al. | Joining of zirconia ceramic to stainless steel and to itself using Ag57Cu38Ti5 filler metal | |
| RU2011488C1 (en) | Design of permanent joint | |
| CA2125622A1 (en) | Internal soldering in metal/ceramic composites | |
| US20100288563A1 (en) | Methods of use of particulate materials in conjunction with braze alloys and resulting structures | |
| Huijie et al. | Microstructure and strength of the SiC/TiAl joint brazed with Ag-Cu-Ti filler metal | |
| JPH11320218A (en) | Hard sintered body tool and manufacture thereof | |
| EP1135348A2 (en) | Method for joining ceramic to metal | |
| US5083884A (en) | Metal ceramic composite body | |
| Yi et al. | Diffusion bonding of Ti—6Al—4V titanium alloy powder and solid by hot isostatic pressing | |
| Su et al. | Al 2 O 3/SUS304 brazing via AgCuTi-W composite as active filler | |
| US4684579A (en) | Ductile low temperature brazing alloy foil | |
| Gordon | The Stress-Strain State in Isotropic, Thick-Wall Cylindrical and Spherical Pressure Vessels under External Hydrostatic Pressure | |
| JPH11188510A (en) | Hard sintered body cutting tool | |
| JPS6320647B2 (en) | ||
| Nicholas | Ceramic-metal interfaces | |
| Maeda et al. | Solid state diffusion bonding of silicon nitride using vanadium foils | |
| JPS6351993B2 (en) | ||
| JPS5879879A (en) | Composite diamond sintered body | |
| JP2880991B1 (en) | Metal pillar drilling device | |
| Ohmura et al. | A technique for brazing graphite/graphite and stainless steel/high-carbon steel joints | |
| JP2003342668A (en) | Composite roll made of cemented carbide | |
| JPS59191505A (en) | Composite roll | |
| JPS61219534A (en) | Composite material of ceramic and metal |