(1) Charakterystyka lutowania twardego: problemy związane z lutowaniem twardym grafitem i diamentem polikrystalicznym są bardzo podobne do tych występujących przy lutowaniu twardym ceramiki. W porównaniu z metalem, lut jest trudny do zwilżenia w materiałach grafitowych i diamentowych polikrystalicznych, a jego współczynnik rozszerzalności cieplnej znacznie różni się od współczynnika rozszerzalności cieplnej materiałów konstrukcyjnych. Oba materiały są podgrzewane bezpośrednio w powietrzu, a utlenianie lub zwęglenie nastąpi po przekroczeniu temperatury 400°C. Dlatego należy stosować lutowanie próżniowe, a stopień próżni nie powinien być mniejszy niż 10-1 Pa. Ponieważ wytrzymałość obu materiałów nie jest wysoka, naprężenia cieplne podczas lutowania mogą prowadzić do pęknięć. Należy starać się wybierać spoiwo o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej i ściśle kontrolować szybkość chłodzenia. Ponieważ powierzchnia takich materiałów nie jest łatwa do zwilżenia przez zwykłe spoiwa lutownicze, warstwę W, Mo i innych pierwiastków o grubości 2,5–12,5 μm można osadzić na powierzchni grafitowych i diamentowych materiałów polikrystalicznych poprzez modyfikację powierzchni (powłoka próżniowa, natryskiwanie jonowe, natryskiwanie plazmowe i inne metody) przed lutowaniem i utworzyć z nimi odpowiednie węgliki, lub można zastosować spoiwa lutownicze o wysokiej aktywności.
Grafit i diament występują w wielu odmianach, różniących się wielkością cząstek, gęstością, czystością i innymi parametrami, a także różnymi właściwościami lutowniczymi. Ponadto, gdy temperatura polikrystalicznego diamentu przekroczy 1000°C, współczynnik zużycia polikrystalicznego zaczyna spadać, a po przekroczeniu 1200°C zmniejsza się on o ponad 50%. Dlatego podczas lutowania próżniowego diamentu, temperatura lutowania musi być utrzymywana poniżej 1200°C, a stopień próżni nie może być mniejszy niż 5 × 10-2Pa.
(2) Wybór spoiwa lutowniczego zależy głównie od zastosowania i obróbki powierzchni. W przypadku stosowania jako materiału żaroodpornego należy wybrać spoiwo lutownicze o wysokiej temperaturze lutowania i dobrej odporności cieplnej; w przypadku materiałów odpornych na korozję chemiczną należy wybrać spoiwo lutownicze o niskiej temperaturze lutowania i dobrej odporności na korozję. Do grafitu po metalizacji powierzchni można użyć czystego lutu miedzianego o wysokiej ciągliwości i dobrej odporności na korozję. Aktywne lutowie na bazie srebra i miedzi charakteryzuje się dobrą zwilżalnością i płynnością w kontakcie z grafitem i diamentem, ale temperatura robocza lutowanego złącza trudno przekroczyć 400°C. Do elementów grafitowych i narzędzi diamentowych używanych w temperaturach od 400°C do 800°C zazwyczaj stosuje się spoiwa na bazie złota, palladu, manganu lub tytanu. Do spoiw używanych w temperaturach od 800°C do 1000°C należy stosować spoiwa na bazie niklu lub wierteł. W przypadku stosowania komponentów grafitowych w temperaturze powyżej 1000 ℃ można stosować czyste spoiwa metalowe (Ni, PD, Ti) lub spoiwa stopowe zawierające molibden, Mo, Ta i inne pierwiastki, które mogą tworzyć węgliki z węglem.
W przypadku grafitu lub diamentu bez obróbki powierzchniowej, do lutowania bezpośredniego można użyć aktywnych spoiw wymienionych w tabeli 16. Większość z tych spoiw to stopy dwu- lub trójskładnikowe na bazie tytanu. Czysty tytan silnie reaguje z grafitem, który może tworzyć bardzo grubą warstwę węglika, a jego współczynnik rozszerzalności liniowej znacznie różni się od współczynnika grafitu, który łatwo pęka, dlatego nie może być stosowany jako lut. Dodatek Cr i Ni do Ti może obniżyć temperaturę topnienia i poprawić zwilżalność przez ceramikę. Ti jest stopem trójskładnikowym, składającym się głównie z TiZr, z dodatkiem TA, Nb i innych pierwiastków. Ma niski współczynnik rozszerzalności liniowej, co może zmniejszyć naprężenia lutownicze. Stop trójskładnikowy, składający się głównie z TiCu, nadaje się do lutowania grafitu i stali, a połączenie charakteryzuje się wysoką odpornością na korozję.
Tabela 16. Spoiwa lutownicze do bezpośredniego lutowania grafitu i diamentu
(3) Proces lutowania twardego metody lutowania grafitu można podzielić na dwie kategorie: lutowanie twarde po metalizacji powierzchni i lutowanie twarde bez obróbki powierzchni. Niezależnie od użytej metody, spaw należy poddać wstępnej obróbce przed montażem, a zanieczyszczenia powierzchni materiałów grafitowych należy przetrzeć alkoholem lub acetonem. W przypadku lutowania twardego z metalizacją powierzchniową, na powierzchnię grafitu należy nanieść warstwę Ni, Cu lub warstwę Ti, Zr lub dwukrzemku molibdenu metodą natryskiwania plazmowego, a następnie do lutowania twardego należy użyć spoiwa na bazie miedzi lub srebra. Bezpośrednie lutowanie twarde aktywnym lutem jest obecnie najpowszechniej stosowaną metodą. Temperaturę lutowania twardego można dobrać zgodnie ze spoiwem podanym w tabeli 16. Lut może być zaciśnięty w środku lutowanego złącza lub w pobliżu jednego końca. Podczas lutowania twardego metalem o dużym współczynniku rozszerzalności cieplnej, Mo lub Ti o odpowiedniej grubości może służyć jako pośrednia warstwa buforowa. Warstwa przejściowa może powodować odkształcenia plastyczne podczas nagrzewania, absorbować naprężenia cieplne i zapobiegać pękaniu grafitu. Na przykład, Mo jest stosowany jako spoina przejściowa do lutowania próżniowego elementów grafitowych i hastelloynowych. Stosowany jest lut B-PD60Ni35Cr5 o dobrej odporności na korozję wywołaną stopionymi solami i promieniowanie. Temperatura lutowania wynosi 1260°C i jest utrzymywana przez 10 minut.
Diament naturalny można lutować bezpośrednio lutami b-ag68.8cu16.7ti4.5, b-ag66cu26ti8 i innymi aktywnymi lutami. Lutowanie powinno odbywać się w próżni lub w osłonie niskoargonowej. Temperatura lutowania nie powinna przekraczać 850°C, a szybkość nagrzewania powinna być wyższa. Czas wygrzewania w temperaturze lutowania nie powinien być zbyt długi (zwykle około 10 s), aby uniknąć utworzenia ciągłej warstwy tic na styku. Podczas lutowania diamentu i stali stopowej, należy dodać warstwę pośrednią z tworzywa sztucznego lub warstwę stopu o niskiej rozszerzalności, aby zapobiec uszkodzeniu ziaren diamentu spowodowanemu nadmiernym naprężeniem termicznym. Narzędzie tokarskie lub narzędzie do wytaczania do ultraprecyzyjnej obróbki jest wytwarzane w procesie lutowania, w którym 20 ~ 100 mg drobnocząsteczkowego diamentu jest lutowane na stalowym korpusie, a wytrzymałość połączenia lutowanego osiąga 200 ~ 250 mpa.
Diament polikrystaliczny może być lutowany płomieniowo, metodą wysokiej częstotliwości lub w próżni. Lutowanie wysokoczęstotliwościowe lub płomieniowe powinno być stosowane do cięcia metalu lub kamienia diamentowymi piłami tarczowymi. Należy wybrać aktywny lut Ag Cu Ti o niskiej temperaturze topnienia. Temperatura lutowania powinna być kontrolowana poniżej 850°C, czas nagrzewania nie powinien być zbyt długi, a szybkość chłodzenia powinna być niska. Wiertła z diamentu polikrystalicznego stosowane w wierceniach naftowych i geologicznych charakteryzują się trudnymi warunkami pracy i są odporne na duże obciążenia udarowe. Można wybrać lut na bazie niklu, a jako warstwę pośrednią do lutowania próżniowego można zastosować czystą folię miedzianą. Na przykład, 350–400 kapsułek Ф 4,5–4,5 mm kolumnowego diamentu polikrystalicznego jest lutowanych w perforacje stali 35CrMo lub 40CrNiMo, tworząc zęby tnące. Zastosowano lutowanie próżniowe, a stopień próżni nie jest mniejszy niż 5 × 10-2Pa, temperatura lutowania wynosi 1020 ± 5 ℃, czas trzymania wynosi 20 ± 2 min, a wytrzymałość na ścinanie połączenia lutowanego jest większa niż 200 mpa
Podczas lutowania, do montażu i pozycjonowania należy w jak największym stopniu wykorzystać ciężar własny elementu spawanego, aby element metalowy dociskał grafit lub materiał polikrystaliczny w górnej części. W przypadku stosowania uchwytu spawalniczego do pozycjonowania, materiał uchwytu spawanego powinien być materiałem o współczynniku rozszerzalności cieplnej zbliżonym do współczynnika rozszerzalności cieplnej elementu spawanego.
Czas publikacji: 13 czerwca 2022 r.