(1) Характеристики паяння. Проблеми, пов'язані з паянням графіту та полікристалічного алмазу, дуже схожі на ті, що виникають під час паяння кераміки. Порівняно з металом, припій важко змочувати з полікристалічних матеріалів графіту та алмазу, а його коефіцієнт теплового розширення дуже відрізняється від коефіцієнта термічного розширення звичайних конструкційних матеріалів. Обидва матеріали нагріваються безпосередньо на повітрі, і окислення або карбонізація відбувається, коли температура перевищує 400 ℃. Тому слід використовувати вакуумне паяння, а ступінь вакууму не повинен бути менше 10-1 Па. Оскільки міцність обох матеріалів невисока, якщо під час паяння виникає термічне напруження, можуть утворитися тріщини. Намагайтеся вибирати присадний метал для паяння з низьким коефіцієнтом теплового розширення та суворо контролюйте швидкість охолодження. Оскільки поверхня таких матеріалів нелегко змочується звичайними припоями для паяння, перед паянням на поверхню графітових та алмазних полікристалічних матеріалів можна нанести шар W, Mo та інших елементів товщиною 2,5 ~ 12,5 мкм шляхом модифікації поверхні (вакуумне покриття, іонне розпилення, плазмове напилення та інші методи) та утворити з ними відповідні карбіди, або ж можна використовувати високоактивні припої.
Графіт та алмаз мають багато марок, які відрізняються розміром частинок, щільністю, чистотою та іншими аспектами, а також мають різні характеристики паяння. Крім того, якщо температура полікристалічних алмазних матеріалів перевищує 1000 ℃, коефіцієнт зносу полікристалічних матеріалів починає зменшуватися, а коефіцієнт зносу зменшується більш ніж на 50%, коли температура перевищує 1200 ℃. Тому під час вакуумного паяння алмазів температуру паяння необхідно контролювати нижче 1200 ℃, а ступінь вакууму не повинен бути меншим за 5 × 10⁻² Па.
(2) Вибір присадного металу для паяння головним чином залежить від використання та обробки поверхні. При використанні як термостійкого матеріалу слід вибирати присадний метал з високою температурою паяння та доброю термостійкістю; для матеріалів, стійких до хімічної корозії, вибирають присадні метали з низькою температурою паяння та доброю корозійною стійкістю. Для графіту після обробки поверхні металізацією можна використовувати чистий мідний припій з високою пластичністю та доброю корозійною стійкістю. Активний припій на основі срібла та міді має добру змочуваність та текучість до графіту та алмазу, але робоча температура паяного з'єднання важко перевищує 400 ℃. Для графітових компонентів та алмазного інструменту, що використовуються при температурі від 400 ℃ до 800 ℃, зазвичай використовуються присадні метали на основі золота, паладію, марганцю або титану. Для з'єднань, що використовуються при температурі від 800 ℃ до 1000 ℃, слід використовувати присадні метали на основі нікелю або свердла. При використанні графітових компонентів за температур вище 1000 ℃ можна використовувати чисті металеві присадки (Ni, PD, Ti) або леговані металеві присадки, що містять молібден, Mo, Ta та інші елементи, які можуть утворювати карбіди з вуглецем.
Для графіту або алмазу без обробки поверхні активні присадні метали, наведені в таблиці 16, можна використовувати для прямого паяння. Більшість цих присадних металів є бінарними або потрійними сплавами на основі титану. Чистий титан сильно реагує з графітом, який може утворювати дуже товстий карбідний шар, а його коефіцієнт лінійного розширення значно відрізняється від графіту, який легко тріскається, тому його не можна використовувати як припій. Додавання Cr та Ni до Ti може знизити температуру плавлення та покращити змочуваність керамікою. Ti - це потрійний сплав, що складається переважно з Ti, Zr, з додаванням TA, Nb та інших елементів. Він має низький коефіцієнт лінійного розширення, що може зменшити напругу паяння. Потрійний сплав, що складається переважно з Ti, Cu, підходить для паяння графіту та сталі, а з'єднання має високу корозійну стійкість.
Таблиця 16 Присадні метали для прямого паяння графіту та алмазу
(3) Процес паяння. Методи паяння графіту можна розділити на дві категорії: паяння після металізації поверхні та паяння без обробки поверхні. Незалежно від того, який метод використовується, зварний виріб необхідно попередньо обробити перед складанням, а поверхневі забруднення графітових матеріалів необхідно очистити спиртом або ацетоном. У випадку паяння з металізацією поверхні на поверхню графіту плазмовим напиленням наноситься шар Ni, Cu або шар Ti, Zr або дисиліциду молібдену, а потім для паяння використовується присадний метал на основі міді або присадний метал на основі срібла. Пряме паяння активним припоєм є найпоширенішим методом наразі. Температуру паяння можна вибрати відповідно до припою, наведеного в таблиці 16. Припій можна затискати посередині паяного з'єднання або біля одного кінця. Під час паяння металом з великим коефіцієнтом теплового розширення як проміжний буферний шар можна використовувати Mo або Ti певної товщини. Перехідний шар може створювати пластичну деформацію під час нагрівання при паянні, поглинати теплове напруження та запобігати розтріскуванню графіту. Наприклад, Mo використовується як перехідне з'єднання для вакуумної пайки графітових та хастеллойнових компонентів. Використовується припій B-pd60ni35cr5 з хорошою стійкістю до корозії розплавленими солями та радіації. Температура пайки становить 1260 ℃, і температура підтримується протягом 10 хвилин.
Природний алмаз можна безпосередньо паяти за допомогою b-ag68.8cu16.7ti4.5, b-ag66cu26ti8 та інших активних припоїв. Пайку слід проводити у вакуумі або в середовищі низького рівня аргону. Температура пайки не повинна перевищувати 850 ℃, і слід вибирати більшу швидкість нагрівання. Час витримки при температурі пайки не повинен бути занадто довгим (зазвичай близько 10 секунд), щоб уникнути утворення суцільного термічного шару на межі розділу. Під час пайки алмазу та легованої сталі слід додавати пластиковий проміжний шар або шар сплаву з низьким коефіцієнтом розширення для запобігання пошкодженню алмазних зерен, спричиненому надмірним термічним напруженням. Токарний інструмент або розточувальний інструмент для надточної обробки виготовляється методом пайки, під час якого на сталевий корпус напаюється 20 ~ 100 мг дрібночастинок алмазу, а міцність паяного з'єднання досягає 200 ~ 250 МПа.
Полікристалічний алмаз можна паяти полум'ям, високою частотою або вакуумом. Для різання металу або каменю алмазними дисками для циркулярної пилки слід використовувати високочастотну пайку або пайку полум'ям. Слід вибирати активний припой Ag-Cu-Ti з низькою температурою плавлення. Температура пайки повинна контролюватися нижче 850 ℃, час нагрівання не повинен бути занадто довгим, а швидкість охолодження повинна бути повільною. Полікристалічні алмазні долота, що використовуються в нафтовому та геологічному бурінні, мають погані умови експлуатації та витримують великі ударні навантаження. Можна вибрати припой на основі нікелю, а чисту мідну фольгу можна використовувати як проміжний шар для вакуумної пайки. Наприклад, 350 ~ 400 капсул стовпчастого полікристалічного алмазу діаметром 4,5 ~ 4,5 мм впаюють в перфорації сталі 35CrMo або 40CrNiMo для формування ріжучих зубців. Використовується вакуумна пайка, ступінь вакууму не менше 5 × 10⁻² Па, температура пайки 1020 ± 5 ℃, час витримки 20 ± 2 хв, а міцність на зсув паяного з'єднання більше 200 МПа.
Під час паяння власну вагу зварної деталі слід використовувати для складання та позиціонування якомога сильніше, щоб металева деталь тиснула на графіт або полікристалічний матеріал у верхній частині. Під час використання кріплення для позиціонування матеріал кріплення повинен бути з коефіцієнтом теплового розширення, подібним до коефіцієнта теплового розширення зварної деталі.
Час публікації: 13 червня 2022 р.