(1) Характеристики пайки. Проблемы, связанные с пайкой поликристаллического графита и алмаза, очень похожи на проблемы, возникающие при пайке керамики. По сравнению с металлом, припой плохо смачивает поликристаллические материалы графита и алмаза, а его коэффициент теплового расширения сильно отличается от коэффициента теплового расширения обычных конструкционных материалов. Оба материала нагреваются непосредственно на воздухе, и при температуре выше 400 ℃ происходит окисление или карбонизация. Поэтому следует использовать вакуумную пайку, при этом степень вакуума должна быть не менее 10⁻¹ Па. Поскольку прочность обоих материалов невысока, при возникновении термических напряжений во время пайки могут появиться трещины. Следует выбирать припой с низким коэффициентом теплового расширения и строго контролировать скорость охлаждения. Поскольку поверхность таких материалов плохо смачивается обычными припоями, перед пайкой на поверхность поликристаллических материалов из графита и алмаза можно нанести слой вольфрама, молибдена и других элементов толщиной 2,5–12,5 мкм путем модификации поверхности (вакуумное напыление, ионное распыление, плазменное напыление и другие методы) с образованием соответствующих карбидов, или же использовать высокоактивные припои.
Графит и алмаз имеют множество разновидностей, различающихся размером частиц, плотностью, чистотой и другими параметрами, а также характеристиками пайки. Кроме того, если температура поликристаллических алмазных материалов превышает 1000 ℃, коэффициент износа поликристаллических материалов начинает снижаться, а при температуре выше 1200 ℃ снижение износа составляет более 50%. Поэтому при вакуумной пайке алмаза температура пайки должна контролироваться ниже 1200 ℃, а степень вакуума должна быть не менее 5 × 10⁻² Па.
(2) Выбор припоя для пайки в основном зависит от области применения и обработки поверхности. При использовании в качестве жаростойкого материала следует выбирать припой с высокой температурой пайки и хорошей термостойкостью; для материалов, устойчивых к химической коррозии, выбирают припои с низкой температурой пайки и хорошей коррозионной стойкостью. Для графита после обработки поверхности металлизацией можно использовать припой из чистой меди, обладающий 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 в диапазоне температур от 400 ℃ до 800 ℃, обычно используются припои на основе золота, палладия, марганца или титана. Для соединений, используемых в диапазоне температур от 800 ℃ до 1000 ℃, следует использовать припои на основе никеля или сверла. При использовании графитовых компонентов при температуре выше 1000 ℃ можно применять чистые металлические припои (Ni, PD, Ti) или сплавы, содержащие молибден, Mo, Ta и другие элементы, способные образовывать карбиды с углеродом.
Для графита или алмаза без обработки поверхности можно использовать активные припои, перечисленные в таблице 16, для прямой пайки. Большинство из этих припоев представляют собой бинарные или тройные сплавы на основе титана. Чистый титан сильно реагирует с графитом, образуя очень толстый карбидный слой, а его коэффициент линейного расширения значительно отличается от коэффициента расширения графита, что легко приводит к образованию трещин, 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 TiZr с добавлением TA, Nb и других элементов. Он имеет низкий коэффициент линейного расширения, что позволяет снизить паяное напряжение. Тройной сплав, в основном состоящий из TiCu, подходит для пайки графита и стали, и соединение обладает высокой коррозионной стойкостью.
Таблица 16. Припои для прямой пайки графита и алмаза.
(3) Процесс пайки графита можно разделить на две категории: пайка после поверхностной металлизации и пайка без обработки поверхности. Независимо от используемого метода, сварное соединение должно быть предварительно обработано перед сборкой, а загрязнения поверхности графитовых материалов должны быть удалены спиртом или ацетоном. В случае пайки с поверхностной металлизацией на поверхность графита методом плазменного напыления наносится слой Ni, Cu или слой Ti, Zr или дисилицид молибдена, а затем для пайки используется припой на основе меди или серебра. В настоящее время наиболее распространенным методом является прямая пайка активным припоем. Температуру пайки можно выбрать в соответствии с припоем, указанным в таблице 16. Припой может быть зажат в середине паяного соединения или около одного из его концов. При пайке металлом с большим коэффициентом теплового расширения в качестве промежуточного буферного слоя можно использовать Mo или Ti определенной толщины. Переходный слой способен вызывать пластическую деформацию во время нагрева при пайке, поглощать термические напряжения и предотвращать растрескивание графита. Например, молибден используется в качестве переходного соединения при вакуумной пайке графитовых и гастелоиновых компонентов. Используется припой B-pd60ni35cr5, обладающий хорошей устойчивостью к коррозии в расплавленных солях и излучению. Температура пайки составляет 1260 ℃, и она поддерживается в течение 10 минут.
Природный алмаз можно припаивать непосредственно с помощью активных припоев b-ag68.8cu16.7ti4.5, b-ag66cu26ti8 и других. Пайка должна проводиться в вакууме или под защитой низкого содержания аргона. Температура пайки не должна превышать 850 ℃, следует выбирать более высокую скорость нагрева. Время выдержки при температуре пайки не должно быть слишком долгим (обычно около 10 с), чтобы избежать образования сплошного слоя на границе раздела. При пайке алмаза и легированной стали следует добавлять пластиковый промежуточный слой или слой низкотемпературного сплава для предотвращения повреждения алмазных зерен из-за чрезмерного термического напряжения. Токарный или расточный инструмент для сверхточной обработки изготавливается методом пайки, при котором на стальную основу наносятся мелкие алмазные частицы массой 20–100 мг, а прочность паяного соединения достигает 200–250 МПа.
Поликристаллический алмаз можно паять пламенем, высокочастотным припоем или вакуумом. Для резки металла или камня алмазными дисковыми пилами следует использовать высокочастотный или пламенный припой. В качестве припоя следует выбирать активный припой Ag, Cu, Ti с низкой температурой плавления. Температуру пайки следует контролировать ниже 850 ℃, время нагрева не должно быть слишком большим, и следует использовать медленную скорость охлаждения. Поликристаллические алмазные буровые долота, используемые в нефтедобыче и геологическом бурении, имеют плохие условия эксплуатации и подвергаются огромным ударным нагрузкам. В качестве припоя можно выбрать припой на основе никеля, а в качестве промежуточного слоя для вакуумной пайки можно использовать чистую медную фольгу. Например, 350–400 капсул столбчатого поликристаллического алмаза диаметром 4,5–4,5 мм припаиваются к перфорациям стали 35CrMo или 40CrNiMo для образования режущих зубьев. Используется вакуумная пайка, степень вакуума составляет не менее 5 × 10⁻² Па, температура пайки — 1020 ± 5 ℃, время выдержки — 20 ± 2 мин, а прочность паяного соединения на сдвиг превышает 200 МПа.
При пайке собственный вес свариваемого изделия следует использовать для сборки и позиционирования в максимально возможной степени, чтобы металлическая деталь прижималась к графиту или поликристаллическому материалу в верхней части. При использовании приспособления для позиционирования материал приспособления должен иметь коэффициент теплового расширения, аналогичный коэффициенту теплового расширения свариваемого изделия.
Дата публикации: 13 июня 2022 г.