Brasatura di materiali policristallini di grafite e diamante: Spiegazioni

1. Caratteristiche della brasatura

La brasatura dei materiali policristallini di grafite e diamante deve affrontare sfide simili a quelle della brasatura della ceramica.

Rispetto ai metalli, i metalli d'apporto per brasatura hanno difficoltà a bagnare la grafite e i materiali policristallini diamantati e i loro coefficienti di espansione termica differiscono notevolmente da quelli dei materiali strutturali tipici. Se riscaldati direttamente all'aria, quando la temperatura supera i 400°C si può verificare l'ossidazione o la formazione di carburi.

Pertanto, il vuoto brasatura Si consiglia di adottare un livello di vuoto non inferiore al 10^-1 Pa. Poiché i materiali policristallini di grafite e diamante hanno una bassa resistenza, la presenza di sollecitazioni termiche durante la brasatura può portare alla formazione di cricche.

È importante selezionare metalli d'apporto con un basso coefficiente di espansione termica e controllare rigorosamente la velocità di raffreddamento.

Poiché la superficie di questi materiali non è facilmente bagnabile con i tipici metalli d'apporto per brasaturaSi possono utilizzare metodi di modifica della superficie di pre-brasatura come il rivestimento sotto vuoto, lo sputtering ionico o la spruzzatura al plasma per depositare uno strato di 2,5-12,5um di spessore di elementi come W e Mo sulla superficie dei materiali policristallini di grafite e diamante, formando i corrispondenti carburi, oppure si possono utilizzare metalli d'apporto per brasatura ad alta attività.

La grafite e il diamante sono disponibili in vari gradi, che differiscono per dimensione delle particelle, densità, purezza e altri aspetti e hanno caratteristiche di brasatura diverse.

Inoltre, per i materiali policristallini diamantati in un ambiente sotto vuoto, se la temperatura supera i 1000°C, il rapporto di usura inizia a diminuire, e se supera i 1200°C, il rapporto di usura diminuisce di oltre 50%.

Pertanto, durante la brasatura sotto vuoto dei diamanti, la temperatura di brasatura deve essere controllato al di sotto dei 1200°C, con un livello di vuoto non inferiore a 5×10^-2 Pa.

2. Selezione del metallo d'apporto:

La scelta del metallo d'apporto dipende principalmente dall'applicazione e dalle condizioni di lavorazione della superficie. Quando si utilizzano materiali resistenti al calore, si devono scegliere metalli d'apporto con una temperatura di brasatura più elevata e una buona resistenza al calore.

Per i materiali resistenti alla corrosione chimica, è necessario scegliere metalli d'apporto per brasatura con una temperatura di brasatura inferiore e una buona resistenza alla corrosione. Per la grafite sottoposta a trattamento di metallizzazione superficiale, si possono utilizzare metalli duttili e resistenti alla corrosione in rame puro.

I metalli d'apporto attivi a base di argento e rame hanno una buona bagnabilità e scorrevolezza sia sulla grafite che sul diamante, ma la temperatura di utilizzo del giunto brasato non deve superare i 400°C.

Per i componenti in grafite e gli utensili diamantati utilizzati tra i 400 e gli 800°C, si utilizzano solitamente riempitivi per brasatura a base di oro, palladio, manganese o titanio. Per i giunti utilizzati tra 800 e 1000°C, si scelgono riempitivi per brasatura a base di nichel o tungsteno.

Quando si utilizzano componenti in grafite a temperature superiori a 1000°C, si possono utilizzare metalli d'apporto puri (Ni, Pd, Ti) o leghe contenenti elementi come il molibdeno (Mo) o il tantalio (Ta) che possono formare carburi con il carbonio.

Per grafite o diamante senza trattamento della superficieI metalli d'apporto attivi per la brasatura elencati nella Tabella 16 possono essere utilizzati per la brasatura diretta. Questi metalli d'apporto sono per lo più leghe binarie o ternarie a base di titanio. Puro titanio reagisce fortemente con la grafite, formando uno spesso strato di carburo, e il suo coefficiente di espansione lineare differisce significativamente da quello della grafite, portando alla formazione di cricche.

Pertanto, non può essere utilizzato come metallo d'apporto. L'aggiunta di Cr e Ni al Ti può abbassare il punto di fusione e migliorare la bagnatura con la ceramica. Le leghe ternarie basate su Ti-Zr, con l'aggiunta di elementi come Ta e Nb, hanno un basso coefficiente di espansione lineare, riducendo le sollecitazioni di brasatura.

Le leghe ternarie basate principalmente su Ti-Cu sono adatte alla brasatura di grafite e acciaio, garantendo un'elevata resistenza alla corrosione dei giunti.

Tabella 16: Metalli d'apporto per la brasatura diretta di grafite e diamante.

3. Processo di brasatura

I metodi di brasatura della grafite possono essere suddivisi in due categorie: la brasatura dopo la metallizzazione della superficie e la brasatura senza trattamento superficiale. Indipendentemente dal metodo utilizzato, prima di assemblare le parti brasate, queste devono essere pretrattate pulendo la superficie del materiale grafitico con alcol o acetone per rimuovere eventuali contaminanti.

Quando si utilizza la brasatura con metallizzazione superficiale, uno strato di Ni o Cu può essere elettroplaccato sulla superficie della grafite, oppure uno strato di Ti, Zr o disiliciuro di molibdeno può essere depositato mediante spruzzatura al plasma.

Per il processo di brasatura si utilizzano materiali a base di rame o argento. Il metodo più comunemente utilizzato è la brasatura diretta con materiali brasanti attivi, e la temperatura di brasatura può essere selezionata in base ai materiali brasanti indicati nella Tabella 16.

Il materiale di brasatura può essere posizionato al centro o vicino a un'estremità del giunto brasato. In caso di brasatura con metalli ad alto coefficiente di espansione termica, è possibile utilizzare un certo spessore di Mo o Ti come strato intermedio di tamponamento.

Questo strato di transizione può subire una deformazione plastica durante il riscaldamento, assorbendo lo stress termico e impedendo alla grafite di incrinarsi.

Ad esempio, per la brasatura sotto vuoto di componenti in grafite e Hastelloy N a base di nichel resistente alla corrosione, si utilizza un materiale di brasatura B-Pd60Ni35Cr5 con una buona resistenza alla corrosione da sali fusi e alle radiazioni. La temperatura di brasatura è di 1260℃ e il tempo di isolamento è di 10 minuti.

Il diamante naturale può essere brasato direttamente utilizzando materiali brasanti attivi come B-Ag68,8Cu16,7Ti4,5 e B-Ag66Cu26Ti8. La brasatura deve essere effettuata in condizioni di vuoto o di bassa protezione di gas argon. La temperatura di brasatura non deve superare gli 850℃ e si deve scegliere una velocità di riscaldamento più elevata.

Il tempo di permanenza alla temperatura di brasatura non deve essere troppo lungo (di solito circa 10 secondi) per evitare la formazione di uno strato continuo di TiC all'interfaccia.

Quando si brasano i diamanti a acciaio legatoPer la transizione si dovrebbe utilizzare uno strato intermedio plastico o uno strato di lega a bassa espansione per evitare un eccessivo stress termico che potrebbe danneggiare i grani di diamante.

I processi di brasatura sono utilizzati per produrre utensili di lavorazione ultraprecisi, come utensili di tornitura o di alesatura, brasando piccole particelle di diamante (20-100 mg) su un corpo in acciaio. La resistenza del giunto brasato raggiunge i 200-250MPa.

Il diamante policristallino può essere brasato con brasatura a fiamma, ad alta frequenza o sotto vuoto. Le lame circolari diamantate utilizzate per il taglio di metalli o pietre devono essere brasate con brasatura ad alta frequenza o alla fiamma con materiali brasanti attivi a basso punto di fusione, come Ag-Cu-Ti.

La temperatura di brasatura deve essere controllata al di sotto di 850℃ e il tempo di riscaldamento non deve essere troppo lungo. È necessario adottare un raffreddamento lento. Per le punte da trapano in diamante policristallino utilizzate in campo petrolifero e geologico perforazionePer i materiali di brasatura a base di nichel, che sono soggetti a condizioni di lavoro difficili e a carichi d'urto significativi, è possibile scegliere materiali di brasatura a base di nichel e utilizzare fogli di rame puro come strato intermedio per la brasatura sotto vuoto.

Per esempio, per brasare 350-400 particelle cilindriche di diamante policristallino (4,5-4,5 mm) nei fori dei denti di 35CrMo o acciaio 40CrNiMo per formare i denti da taglio, si utilizza la brasatura sotto vuoto con un grado di vuoto non inferiore a 5×10-2Pa. La temperatura di brasatura è di 1020±5℃, il tempo di isolamento è di 20±2 minuti e la resistenza al taglio della giunzione brasata è superiore a 200MPa.

Durante la brasatura, è consigliabile utilizzare il peso del pezzo per l'assemblaggio e il posizionamento, consentendo alle parti metalliche di premere sulla grafite o sul materiale policristallino. Quando si utilizzano dispositivi di fissaggio per il posizionamento, il materiale dei dispositivi deve avere un coefficiente di espansione termica simile a quello del pezzo.

Brasatura dei materiali compositi a base di alluminio (1) Caratteristiche della brasatura I materiali compositi a base di alluminio sono principalmente classificati in due categorie: rinforzati con particelle (compresi i baffi) e rinforzati con fibre, con materiali come B, CB, SiC utilizzati come rinforzo.

Durante il riscaldamento dei materiali compositi a base di alluminio per la brasatura, l'Al di base subisce facilmente reazioni chimiche con la fase di rinforzo. Ad esempio, il Si presente nel materiale di brasatura si diffonde rapidamente nel materiale di base, portando alla formazione di uno strato di gocce fragili. Questo riduce le prestazioni del materiale.

Inoltre, a causa della significativa differenza nel coefficiente di espansione lineare tra l'Al e la fase di rinforzo, un riscaldamento improprio della brasatura può generare uno stress termico all'interfaccia, portando alla fessurazione del giunto.

Inoltre, la scarsa bagnabilità tra il materiale di brasatura e la fase di rinforzo rende necessario un trattamento superficiale del materiale composito per la brasatura o l'uso di materiali di brasatura attivi. La brasatura sotto vuoto dovrebbe essere adottata quando possibile.

(2) Materiali e processo di brasatura

I materiali compositi a base di alluminio rinforzati con particelle di B o SiC possono essere brasati con tecniche di brasatura dolce. Prima della brasatura, il trattamento della superficie può essere effettuato mediante lucidatura con carta vetrata, spazzolatura a filo, lavaggio alcalino, o nichelatura elettrolitica (spessore del rivestimento di 0,05 mm).

È possibile utilizzare materiali brasanti come S-Cd95Ag, S-Zn95Al e S-Cd83Zn, con un riscaldamento delicato a fiamma ossiacetilenica. Inoltre, utilizzando il materiale di brasatura S-Zn95Al per la brasatura per attrito si può ottenere un'elevata resistenza del giunto.

La brasatura sotto vuoto può essere applicata per unire materiali compositi a base di alluminio 6061 rinforzati con fibre corte. La superficie deve essere sottoposta a smerigliatura e lucidata con carta vetrata a grana 800 prima di essere pulita con acetone mediante lavaggio a ultrasuoni.

Per evitare la diffusione del Si nel materiale di base, è possibile rivestire la superficie di brasatura del materiale composito con uno strato barriera di foglio di alluminio puro.

In alternativa, è possibile scegliere un materiale da brasatura B-Al64SiMgBi (11,65i-15Mg-0,5Bi) con una resistenza alla brasatura inferiore. L'intervallo di temperatura di fusione di questo materiale da brasatura è 554-572℃ e la temperatura di brasatura può essere scelta tra 580-590℃ con un tempo di brasatura di 5 minuti. La resistenza al taglio del giunto è superiore a 80MPa.

Per i materiali compositi a base di alluminio con rinforzo di particelle di grafite, la brasatura sotto vuoto in un forno ad atmosfera protettiva è il metodo più efficace. Per migliorare la bagnabilità, è necessario utilizzare materiali di brasatura Al-Si contenenti Mg.

Analogamente alla brasatura sotto vuoto dell'alluminio, l'introduzione di vapore di Mg o il degasaggio del Ti, così come l'aggiunta di una certa quantità di Mg, possono migliorare significativamente la bagnabilità del materiale di brasatura per i materiali compositi a base di alluminio.

Saldabilità di vari materiali