Inhalte zum Wolframkarbidschweißen

1. Probleme beim Hartlöten von Wolframkarbid

The brazability of Wolframcarbid is relatively poor. This is due to its high carbon content, with uncleaned surfaces often containing free carbon, which hinders the wetting of the filler metal. Additionally, Wolframcarbid tends to oxidize at brazing temperatures, forming an oxide layer that further affects the wetting characteristics of the filler metal. Therefore, pre-brazing surface cleaning is crucial for enhancing the wettability of the filler metal on Wolframcarbid. When necessary, coatings such as copper or nickel can be applied before brazing to improve joint performance.

2. Oberflächenvorbereitung vor dem Löten

Es ist wichtig, Verunreinigungen vor dem Löten gründlich von der Oberfläche der Werkstücke zu entfernen, darunter Oxide, Fett, Schmutz und Farbe. Ohne ordnungsgemäße Reinigung kann das geschmolzene Füllmetall die Bauteiloberfläche nicht ausreichend benetzen und auch keine Fugen füllen. In bestimmten Fällen kann es auch erforderlich sein, Teile mit einer speziellen Metallschicht vorzubeschichten, um die Lötbarkeit des Grundmaterials zu verbessern und die Korrosionsbeständigkeit der Lötverbindung zu erhöhen.

(1) Entfernung von Ölverunreinigungen

Ölverunreinigungen können mit organischen Lösungsmitteln wie Alkohol, Tetrachlorkohlenstoff, Benzin, Trichlorethylen, Dichlorethan und Trichlorethan entfernt werden. Bei der Produktion kleiner Chargen können Komponenten zur gründlichen Reinigung in organische Lösungsmittel eingetaucht werden. Bei der Produktion großer Chargen ist die Dampfentfettung die gängigste Methode. Darüber hinaus kann eine effektive Entfettung auch in erhitzten alkalischen Lösungen erreicht werden; beispielsweise durch Eintauchen von Stahlteilen in eine 10%-Natronlauge bei 70–80 °C.

(2) Entfernung von Oxiden

Oxide auf der Oberfläche von Teilen können vor dem Löten mit mechanischen Methoden, chemischem Ätzen oder elektrochemischem Ätzen entfernt werden. Mechanische Methoden können Feilen, Drahtbürsten, Schleifpapier, Schleifscheiben und Sandstrahlen umfassen, um Oxidschichten zu entfernen. Feilen und Schleifpapier werden typischerweise für die Einzelteilproduktion verwendet, da sie Rillen erzeugen, die für die Benetzung und Verteilung des Füllmetalls vorteilhaft sind. Für die Serienproduktion sind Schleifgeräte, Drahtbürsten und Sandstrahlmethoden effizienter. Mechanische Reinigungsmethoden sind für Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen nicht geeignet.

(3) Beschichten des Grundmaterials mit Metall

Das Aufbringen einer Metallbeschichtung auf die Oberfläche des Grundmaterials dient in erster Linie dazu, die Lötbarkeit bestimmter Materialien zu verbessern und die Benetzbarkeit des Füllmetalls zu erhöhen. Dieser Prozess kann auch nachteilige Wechselwirkungen zwischen dem Grundmaterial und dem Füllmetall verhindern, die die Qualität der Verbindung beeinträchtigen könnten, wie etwa Rissbildung oder die Entwicklung spröder intermetallischer Verbindungen. Die Beschichtung kann auch als Füllschicht dienen, um die Montage zu vereinfachen und die Produktivität zu verbessern.

3. Lötmaterialien

(1) Füllmetalle

Common filler metals include pure copper, copper-zinc alloys, and silver-copper alloys. Pure copper offers excellent wettability with various Wolframcarbid materials but must be brazed in a hydrogen-reducing atmosphere to achieve optimal results. However, due to the high brazing temperature, the resulting thermal stress at joints can increase the likelihood of cracking. Traditional pure copper brazed joints have a shear strength of approximately 150 MPa, with fairly high ductility, but they are not suitable for high-temperature applications.

Copper-zinc fillers are the most widely used for brazing Wolframcarbid and tool steels. To enhance the wetting capability and joint strength, alloying elements such as Mn, Ni, and Fe are often added. For example, in B-Cu58ZnMn, with a manganese content of approximately 4 wt%, the shear strength of the Wolframcarbid brazed joint can reach 300–320 MPa at room temperature, maintaining 220–240 MPa at 320°C. Adding a small amount of cobalt to B-Cu58ZnMn can elevate the shear strength to 350 MPa while also providing higher impact toughness and fatigue resistance, significantly extending the service life of Schneidewerkzeuge und Gesteinsbohrer.

Silver-copper fillers have a lower melting point, resulting in minimal thermal stress and a lower tendency for cracking during Wolframcarbid brazing. To improve wettability and enhance joint strength and operating temperatures, alloying elements such as Mn and Ni are commonly incorporated. For example, B-Ag50CuZnCdNi fillers exhibit excellent wettability with Wolframcarbid and provide desirable overall performance for brazed joints.

Für Anwendungen über 500 °C mit hohen Anforderungen an die Verbindungsfestigkeit können mangan- und nickelbasierte Füllstoffe wie B-Mn50NiCuCrCo und B-Ni75CrSiB ausgewählt werden. Beim Löten von Schnellarbeitsstahl sind spezielle Füllstoffe erforderlich, die den Abschrecktemperaturen entsprechen. Diese werden in zwei Kategorien unterteilt: Füllstoffe auf Mangan-Eisen-Basis, die hauptsächlich aus Mangan-Eisen und Borax bestehen und im Allgemeinen eine Scherfestigkeit von etwa 100 MPa erreichen, obwohl diese Verbindungen anfällig für Risse sind. Die andere Kategorie umfasst spezielle Kupferlegierungen mit Ni, Fe, Mn und Si, die die Rissneigung minimieren und Scherfestigkeiten von bis zu 300 MPa erreichen.

(2) Flussmittel und Schutzgase

The selection of flux should align with both the base material and the chosen filler metal. For brazing tool steels and Wolframcarbid, the primary fluxes used are borax and boric acid, often supplemented with various fluorides (KF, NaF, CaF2, etc.). Copper-zinc fillers are typically paired with FB301, FB302, and FB105 fluxes, while silver-copper fillers may utilize FB101 to FB104 fluxes. When using specialty fillers for brazing high-speed steel, borax fluxes are predominantly employed.

To prevent oxidation of tool steel during the heating process and to eliminate post-brazing cleaning, gas shielded brazing can be employed. Protective gases can either be inert or reducing gases, with the requirement that the gas dew point be below -40°C. Wolframcarbid can be brazed under hydrogen protection, necessitating a hydrogen dew point below -59°C.

4. Lötprozesse

Brazing carbon tool steels requires careful surface cleaning, and the mechanical surfaces need not be overly smooth, as this aids the wetting and spreading of the materials and the flux. The surface of Wolframcarbid usually requires sandblasting or grinding with silicon carbide or diamond wheels to remove excessive carbon for better wetting by the filler metal. Carbide-titanium Wolframcarbid presents challenges in wetting; therefore, applying a paste of copper or nickel oxide to their surface and heating in a reducing atmosphere promotes effective wettability.

Das Löten von Kohlenstoff-Werkzeugstählen erfolgt am besten vor dem Abschrecken oder gleichzeitig mit diesem Prozess. Wenn das Löten vor dem Abschrecken erfolgt, muss die Solidustemperatur des Füllmetalls den Bereich der Abschrecktemperatur überschreiten, um sicherzustellen, dass die verbundenen Teile beim erneuten Erhitzen auf Abschrecktemperaturen ausreichende Festigkeit behalten. Wenn Löten und Abschrecken gleichzeitig durchgeführt werden, sollte ein Füllmetall mit einer Solidustemperatur nahe der Abschrecktemperatur ausgewählt werden.

Die Zusammensetzung von legiertem Werkzeugstahl ist breit gefächert. Um eine optimale Leistung der Verbindung zu erzielen, ist die Auswahl spezifischer Füllmetalle und Wärmebehandlungsverfahren je nach der jeweiligen Stahlsorte erforderlich.

Bei Schnellarbeitsstahl übersteigt die Abschrecktemperatur im Allgemeinen die Schmelztemperatur von Silber-Kupfer- und Kupfer-Zink-Füllstoffen, sodass ein Vorabschrecken erforderlich ist. Das Löten kann während des sekundären Anlassens oder danach erfolgen. Wenn ein Abschrecken nach dem Löten erforderlich ist, sollten nur die zuvor erwähnten Spezialfüllstoffe verwendet werden. Beim Löten von Schnellarbeitsstahlwerkzeugen kann die Verwendung eines Koksofens sehr effektiv sein. Nachdem der Füllstoff geschmolzen ist, sollte das Schneidwerkzeug entfernt, überschüssiger Füllstoff herausgedrückt und dann einem Ölabschrecken unterzogen werden, gefolgt von einem Anlassen bei 550–570 °C.

When brazing Wolframcarbid blades to steel tool bodies, methods such as increasing the gap in the brazing seam and adding a plastic compensating shim should be employed, along with post-welding slow cooling to reduce thermal stresses and prevent crack formation, thereby extending the service life of the Wolframcarbid cutting tool assembly.

5. Reinigung nach dem Löten

Rückstände von Flussmitteln können Lötverbindungen korrodieren und die Inspektion der Verbindung erschweren, daher müssen sie gründlich entfernt werden. Zunächst können Flussmittelrückstände auf den Werkstücken mit heißem Wasser oder einer allgemeinen Flussmittelentfernungsmischung abgespült werden, gefolgt von einer Behandlung mit geeigneten sauren Reinigungslösungen, um die Oxidschicht vom Grundmaterial zu entfernen. Es ist unbedingt zu vermeiden, Salpetersäurelösungen zu verwenden, um Korrosion des gelöteten Metalls zu verhindern. Rückstände von organischen weichen Flussmitteln können mit Lösungsmitteln wie Benzin, Alkohol oder Aceton gereinigt werden, während korrosive Rückstände wie Zinkoxid und Ammoniumchlorid in einer 10% NaOH-Lösung gereinigt werden sollten, gefolgt von einem Abspülen mit heißem oder kaltem Wasser. Rückstände von Borax- und Borsäureflussmitteln können im Allgemeinen mit mechanischen Methoden oder längerem Kochen in Wasser entfernt werden.

6. Prüfung der Lötqualität

Methoden zur Prüfung von Lötverbindungen können in zerstörungsfreie und zerstörende Prüfungen unterteilt werden. Im Folgenden werden die zerstörungsfreien Prüfmethoden hervorgehoben:

• Visuelle Inspektion
• Farbeindringprüfung und Fluoreszenzprüfung: Diese Methoden ermöglichen in erster Linie die Erkennung kleiner Risse, Porositäten oder anderer Defekte, die bei einer Sichtprüfung möglicherweise nicht sichtbar sind.

This comprehensive analysis emphasizes the critical issues and solutions in Wolframcarbid brazing, aiding in the understanding and enhancement of overall joint performance and quality.