(1) Характеристики пайки: проблемы, возникающие при пайке графита и поликристаллического алмаза, очень похожи на проблемы, возникающие при пайке керамики. По сравнению с металлом, припой плохо смачивает графит и поликристаллический алмаз, а его коэффициент теплового расширения сильно отличается от коэффициента теплового расширения обычных конструкционных материалов. Оба нагреваются непосредственно на воздухе, и при температуре выше 400 ℃ происходит окисление или карбонизация. Поэтому следует использовать вакуумную пайку, а степень вакуума должна быть не менее 10-1 Па. Поскольку прочность обоих невысока, при возникновении термических напряжений во время пайки могут возникнуть трещины. Старайтесь выбирать припой с низким коэффициентом теплового расширения и строго контролировать скорость охлаждения. Поскольку поверхность таких материалов плохо смачивается обычными припоями, то перед пайкой на поверхность графитовых и алмазных поликристаллических материалов можно наносить слой W, Mo и других элементов толщиной 2,5 ~ 12,5 мкм путем модификации поверхности (вакуумное напыление, ионное распыление, плазменное напыление и другие методы) и образовывать с ними соответствующие карбиды, или можно использовать высокоактивные припои.
Графит и алмаз различаются по размеру частиц, плотности, чистоте и другим параметрам, а также по своим свойствам при пайке. Кроме того, при температуре поликристаллических алмазных материалов, превышающей 1000 ℃, износ поликристаллических материалов начинает снижаться, а при температуре выше 1200 ℃ износ снижается более чем на 50%. Поэтому при вакуумной пайке алмазов температура пайки должна поддерживаться ниже 1200 ℃, а степень вакуума должна быть не менее 5 × 10-2 Па.
(2) Выбор припоя в основном зависит от области применения и обработки поверхности. При использовании в качестве жаропрочного материала следует выбирать припой с высокой температурой пайки и хорошей термостойкостью; для материалов, стойких к химической коррозии, следует выбирать припои с низкой температурой пайки и хорошей коррозионной стойкостью. Для графита после обработки поверхности металлизацией можно использовать чистый медный припой с высокой пластичностью и хорошей коррозионной стойкостью. Активные припои на основе серебра и меди обладают хорошей смачиваемостью и текучестью по отношению к графиту и алмазу, но рабочая температура паяного соединения трудно превышает 400 ℃. Для графитовых компонентов и алмазных инструментов, используемых при температуре от 400 ℃ до 800 ℃, обычно используют припои на основе золота, палладия, марганца или титана. Для соединений, используемых при температуре от 800 ℃ до 1000 ℃, следует использовать припои на основе никеля или сверла. При использовании графитовых компонентов при температуре выше 1000 ℃ можно использовать чистые металлические присадочные металлы (Ni, PD, Ti) или легированные присадочные металлы, содержащие молибден, Mo, Ta и другие элементы, способные образовывать карбиды с углеродом.
Для графита или алмаза без обработки поверхности активные присадочные металлы в таблице 16 могут быть использованы для прямой пайки. Большинство из этих присадочных металлов представляют собой бинарные или тройные сплавы на основе титана. Чистый титан сильно реагирует с графитом, что может образовывать очень толстый карбидный слой, а его коэффициент линейного расширения сильно отличается от коэффициента графита, который легко трескается, поэтому его нельзя использовать в качестве припоя. Добавление Cr и Ni к Ti может снизить температуру плавления и улучшить смачиваемость керамикой. Ti представляет собой тройной сплав, в основном состоящий из Ti Zr с добавлением TA, Nb и других элементов. Он имеет низкий коэффициент линейного расширения, что может снизить напряжение пайки. Тройной сплав, состоящий в основном из Ti Cu, подходит для пайки графита и стали, а соединение имеет высокую коррозионную стойкость.
Таблица 16. Припои для прямой пайки графита и алмаза
(3) Процесс пайки Методы пайки графита можно разделить на две категории: пайка после металлизации поверхности и пайка без обработки поверхности. Независимо от используемого метода, сварное соединение должно быть предварительно обработано перед сборкой, а поверхностные загрязнения графитовых материалов должны быть очищены спиртом или ацетоном. В случае пайки с металлизацией поверхности на поверхность графита методом плазменного напыления наносится слой Ni, Cu или слой Ti, Zr или дисилицида молибдена, а затем для пайки используется присадочный металл на основе меди или серебра. В настоящее время наиболее широко используемым методом является прямая пайка активным припоем. Температура пайки может быть выбрана в соответствии с припоем, указанным в таблице 16. Припой может быть зажат в середине паяного соединения или вблизи одного из концов. При пайке металлом с большим коэффициентом теплового расширения в качестве промежуточного буферного слоя можно использовать Mo или Ti определенной толщины. Переходный слой способен создавать пластическую деформацию при нагревании во время пайки, поглощать термические напряжения и предотвращать растрескивание графита. Например, молибден используется в качестве переходного соединения при вакуумной пайке компонентов из графита и хастеллоина. Используется припой B-pd60ni35cr5, обладающий хорошей стойкостью к коррозии в расплавленных солях и радиации. Температура пайки составляет 1260 ℃, и она поддерживается в течение 10 минут.
Природные алмазы можно непосредственно паять припоями B-ag68.8cu16.7ti4.5, B-ag66cu26ti8 и другими активными припоями. Пайка должна проводиться в вакууме или в среде с низким содержанием аргона. Температура пайки не должна превышать 850 ℃, при этом следует выбирать более высокую скорость нагрева. Время выдержки при температуре пайки не должно быть слишком длительным (обычно около 10 с), чтобы избежать образования сплошного слоя титана на границе раздела. При пайке алмаза и легированной стали следует добавлять пластиковую прослойку или слой сплава с низким коэффициентом расширения для предотвращения повреждения алмазных зерен, вызванного чрезмерным термическим напряжением. Токарный или расточный инструмент для сверхточной обработки изготавливается методом пайки, при котором на стальной корпус напаивается 20 ~ 100 мг мелких алмазных частиц, а прочность паяного соединения достигает 200 ~ 250 МПа.
Поликристаллический алмаз можно паять пламенем, высокой частотой или вакуумом. Для резки алмазного диска дисковой пилы по металлу или камню следует применять высокочастотную пайку или пламенную пайку. Следует выбрать активный припой Ag Cu Ti с низкой температурой плавления. Температура пайки должна контролироваться ниже 850 ℃, время нагрева не должно быть слишком длительным, а скорость охлаждения должна быть медленной. Поликристаллические алмазные долота, используемые в нефтяном и геологическом бурении, имеют плохие условия эксплуатации и выдерживают огромные ударные нагрузки. Можно выбрать припой на основе никеля, а в качестве промежуточного слоя для вакуумной пайки можно использовать чистую медную фольгу. Например, 350 ~ 400 капсул Ф 4,5 ~ 4,5 мм столбчатого поликристаллического алмаза впаивают в перфорации стали 35CrMo или 40CrNiMo для формирования режущих зубьев. Используется вакуумная пайка, степень вакуума составляет не менее 5 × 10-2 Па, температура пайки составляет 1020 ± 5 ℃, время выдержки составляет 20 ± 2 мин, а прочность на сдвиг паяного соединения превышает 200 МПа.
При пайке для сборки и позиционирования следует максимально использовать собственный вес свариваемой детали, чтобы металлическая деталь прижимала графит или поликристаллический материал в верхней части. При использовании оснастки для позиционирования материал оснастки должен иметь коэффициент теплового расширения, аналогичный коэффициенту теплового расширения свариваемой детали.
Время публикации: 13 июня 2022 г.