Пайка поликристаллических материалов графита и алмаза: Объяснение | MachineMFG

Пайка поликристаллических материалов графита и алмаза: Объяснение

0
(0)

1. Характеристики пайки

Пайка графитовых и алмазных поликристаллических материалов сталкивается с теми же проблемами, что и пайка керамики.

По сравнению с металлами, присадочные металлы для пайки с трудом смачивают графит и алмазные поликристаллические материалы, а их коэффициенты теплового расширения значительно отличаются от коэффициентов теплового расширения типичных конструкционных материалов. При нагревании непосредственно на воздухе при температуре свыше 400°C может произойти окисление или образование карбидов.

Поэтому вакуум пайка следует принимать с уровнем вакуума не ниже 10-1 Па. Поскольку поликристаллические материалы графита и алмаза обладают низкой прочностью, наличие термических напряжений при пайке может привести к образованию трещин.

Важно выбирать присадочные металлы с низким коэффициентом теплового расширения и строго контролировать скорость охлаждения.

Поскольку поверхность таких материалов плохо смачивается обычными присадочные металлы для пайкиДля нанесения на поверхность поликристаллических материалов графита и алмаза слоя толщиной 2,5-12,5 м таких элементов, как W и Mo, с образованием соответствующих карбидов, могут использоваться методы модификации поверхности перед пайкой, такие как вакуумное покрытие, ионное напыление или плазменное распыление, или высокоактивные присадочные металлы.

Графит и алмаз бывают разных сортов, различающихся по размеру частиц, плотности, чистоте и другим параметрам, и имеют разные характеристики припоя.

Более того, для алмазных поликристаллических материалов в вакуумной среде, если температура превышает 1000°C, коэффициент износа начинает снижаться, а если превышает 1200°C, то коэффициент износа снижается более чем на 50%.

Поэтому при вакуумной пайке алмазов температура пайки необходимо контролировать при температуре ниже 1200°C, при этом уровень вакуума должен быть не ниже 5×10-2 Па.

2. Выбор металла-заполнителя:

Выбор присадочного металла в основном зависит от области применения и условий обработки поверхности. При использовании в качестве жаропрочных материалов следует выбирать присадочные материалы с более высокой температурой пайки и хорошей жаропрочностью.

Для материалов, устойчивых к химической коррозии, следует выбирать припои с более низкой температурой пайки и хорошей коррозионной стойкостью. Для графита, подвергшегося поверхностной металлизации, можно использовать ковкие и коррозионностойкие присадочные металлы из чистой меди.

Активные присадочные металлы на основе серебра и меди хорошо смачивают и растекаются как по графиту, так и по алмазу, но температура использования паяного соединения не должна превышать 400°C.

Для графитовых деталей и алмазных инструментов, используемых при температуре от 400 до 800°C, обычно применяются паяльные наполнители на основе золота, палладия, марганца или титана. Для соединений, используемых при температуре от 800 до 1000°C, выбирают паяльные наполнители на основе никеля или вольфрама.

Если графитовые компоненты используются при температуре выше 1000°C, можно использовать чистые металлические присадочные металлы (Ni, Pd, Ti) или сплавы присадочных металлов, содержащие такие элементы, как молибден (Mo) или тантал (Ta), которые могут образовывать карбиды с углеродом.

Для графита или алмаза без обработка поверхностиДля прямой пайки можно использовать активные присадочные металлы, перечисленные в таблице 16. Эти присадочные металлы в основном представляют собой бинарные или тернарные сплавы на основе титана. Чистый титан сильно реагирует с графитом, образуя толстый карбидный слой, и его коэффициент линейного расширения значительно отличается от коэффициента графита, что приводит к образованию трещин.

Поэтому его нельзя использовать в качестве присадочного металла. Добавление Cr и Ni к Ti позволяет снизить температуру плавления и улучшить смачивание керамики. Тернарные сплавы на основе Ti-Zr с добавлением таких элементов, как Ta и Nb, имеют низкий коэффициент линейного расширения, что снижает напряжение при пайке.

Тернарные сплавы, в основном на основе Ti-Cu, подходят для пайки графита и стали, обеспечивая высокую коррозионную стойкость соединений.

Таблица 16: Металлы-наполнители для прямой пайки графита и алмаза.

Материал припояТемпература пайки
(°C)
Совместные материалы и области применения 
B-Ti50Ni50960~1010Графит-графит, графит-титан, терминал электролитического элемента 
B-Ti72Ni281000~1030
B-Ti93Ni71560Графит-графит, графит-BeO, аэрокосмический сектор
B-Ti52Cr481420Графит-графит, графит-титан
B-Ag72Cu28Ti950Графит-графит, ядерный реактор
B-Cu80Ti10Sn101150Графитовая сталь
B-Ti55Cu40Si5950~1020Графит-графит, графит-титан, износостойкие компоненты
B-Ti45.5Cu48.5-A16960~1040Графит-графит, графит-титан, износостойкие компоненты
B-Ti54Cr25V211550~1650Графит - тугоплавкие металлы
B-Ti47.5Zr47.5Ta51600~2100Графит-графит
B-Ti47.5Zr47.5Nb51600~1700Графит-графит, графит-молибден
B-Ti43Zr42Gel51300~1600Графит-графит
B-Ni36-40
Ti5~10
Fe50~59
1300~1400Графит-молибден, графит-карбид кремния, нагревательные элементы

3. Процесс пайки

Методы пайки графита можно разделить на две категории: один - пайка после металлизации поверхности, другой - пайка без обработки поверхности. Независимо от используемого метода, перед сборкой паяемых деталей их следует предварительно обработать, протерев поверхность графитового материала спиртом или ацетоном для удаления любых загрязнений.

При использовании поверхностной металлизации пайкой на поверхность графита может быть нанесен слой Ni или Cu гальваническим способом, или слой Ti, Zr или дисилицида молибдена может быть осажден плазменным напылением.

Затем для процесса пайки используются паяльные материалы на основе меди или серебра. Наиболее распространенным методом является прямая пайка с использованием активных паяльных материалов, а температура пайки может быть выбрана на основе паяльных материалов, представленных в таблице 16.

Материал для пайки может быть размещен в середине или вблизи одного из концов паяного соединения. При пайке металлов с высоким коэффициентом теплового расширения в качестве промежуточного буферного слоя можно использовать Мо или Ti определенной толщины.

Этот переходный слой может подвергаться пластической деформации при нагревании, поглощая тепловое напряжение и предотвращая растрескивание графита.

Например, для вакуумной пайки графита и коррозионностойких компонентов на основе никеля Hastelloy N используется паяльный материал B-Pd60Ni35Cr5 с хорошей устойчивостью к коррозии в расплавленной соли и радиационной стойкостью. Температура пайки составляет 1260℃, а время изоляции - 10 минут.

Природный алмаз можно паять напрямую, используя активные паяльные материалы, такие как B-Ag68.8Cu16.7Ti4.5 и B-Ag66Cu26Ti8. Пайку следует проводить в вакууме или в газовой 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 большим (обычно около 10 секунд), чтобы предотвратить образование непрерывного слоя TiC на границе раздела.

При пайке алмазов к легированная стальДля предотвращения чрезмерного теплового напряжения, которое может повредить алмазные зерна, следует использовать пластичный промежуточный слой или слой сплава с низким коэффициентом расширения для перехода.

Процессы пайки используются для производства сверхточного обрабатывающего инструмента, такого как токарный или расточной инструмент, путем припаивания мелких алмазных частиц (20-100 мг) к стальному корпусу. Прочность паяного шва достигает 200-250 МПа.

Поликристаллический алмаз можно паять с помощью пламенной, высокочастотной или вакуумной пайки. Алмазные дисковые пилы, используемые для резки металлов или камней, следует паять высокочастотной пайкой или пламенной пайкой с использованием активных паяльных материалов с низкой температурой плавления, таких как Ag-Cu-Ti.

Температура пайки должна быть ниже 850℃, а время нагрева не должно быть слишком долгим. Следует использовать медленное охлаждение. Для поликристаллических алмазных буровых коронок, используемых в нефтяной и геологической промышленности бурениедля которых характерны жесткие условия эксплуатации и значительные ударные нагрузки, можно выбрать паяльные материалы на основе никеля, а в качестве промежуточного слоя для вакуумной пайки использовать чистую медную фольгу.

Например, для пайки 350-400 цилиндрических частиц поликристаллического алмаза (4,5-4,5 мм) в отверстия зубьев 35CrMo или стали 40CrNiMo для формирования режущих зубьев, используется вакуумная пайка со степенью вакуума не ниже 5×10-2Па. Температура пайки составляет 1020±5℃, время изоляции - 20±2 минуты, а прочность на сдвиг паяного шва - более 200 МПа.

При пайке рекомендуется использовать вес заготовки для сборки и позиционирования, позволяя металлическим деталям прижиматься к графиту или поликристаллическому материалу. При использовании приспособлений для позиционирования материал приспособлений должен иметь коэффициент теплового расширения, аналогичный коэффициенту теплового расширения заготовки.

Пайка композиционных материалов на основе алюминия (1) Характеристики пайки Композиционные материалы на основе алюминия в основном делятся на две категории: армированные частицами (включая вискеры) и армированные волокнами, причем для армирования используются такие материалы, как B, CB, SiC.

При нагреве композиционных материалов на основе алюминия для пайки основной Al легко вступает в химические реакции с армирующей фазой. Например, Si в материале для пайки быстро диффундирует в основной материал, что приводит к образованию хрупкого капельного слоя. Это снижает эксплуатационные характеристики материала.

Кроме того, из-за значительной разницы в коэффициентах линейного расширения между Al и армирующей фазой неправильный нагрев припоя может вызвать тепловое напряжение на границе раздела, что приведет к растрескиванию соединения.

Кроме того, между материалом для пайки и армирующей фазой существует плохая смачиваемость, что требует обработки поверхности композитного материала для пайки или использования активных паяльных материалов. По возможности следует использовать вакуумную пайку.

(2) Материалы и процесс пайки

Композитные материалы на основе алюминия, армированные частицами B или SiC, могут быть спаяны с использованием методов мягкой пайки. Перед пайкой поверхность может быть обработана с помощью полировки наждачной бумагой, проволочной щеткой, щелочной промывкой или электролитическое никелирование (толщина покрытия 0,05 мм).

Можно использовать такие паяльные материалы, как S-Cd95Ag, S-Zn95Al и S-Cd83Zn, с мягким нагревом в кислородно-ацетиленовом пламени. Более того, использование паяльного материала S-Zn95Al для пайки трением с перемешиванием позволяет достичь высокой прочности соединения.

Вакуумная пайка может применяться для соединения коротких композитных материалов на основе алюминия 6061, армированных волокнами. Поверхность должна быть отшлифована и отполирована наждачной бумагой с зернистостью 800, а затем очищена в ацетоне с помощью ультразвуковой очистки.

В основном используются материалы для пайки Al-Si, а для предотвращения диффузии Si в основной материал на поверхность пайки композитного материала может быть нанесен барьерный слой из чистой алюминиевой фольги.

В качестве альтернативы можно выбрать паяльный материал B-Al64SiMgBi (11,65i-15Mg-0,5Bi) с более низкой прочностью пайки. Диапазон температур плавления этого паяльного материала составляет 554-572℃, а температура пайки может быть выбрана как 580-590℃ при времени пайки 5 минут. Прочность соединения на сдвиг составляет более 80 МПа.

Для композитных материалов на основе алюминия с армированием графитовыми частицами наиболее успешным методом является вакуумная пайка в печи с защитной атмосферой. Для улучшения смачиваемости необходимо использовать материалы для пайки Al-Si, содержащие Mg.

Как и при вакуумной пайке алюминия, введение паров Mg или дегазация Ti, а также добавление определенного количества Mg могут значительно улучшить смачиваемость материала для пайки композиционных материалов на основе алюминия.

Паяемость различных материалов

МатериалыПаяемостьМатериал припояФлюсПримечание
Пайка твердым припоемМягкая пайка
 Углеродистая сталь, низколегированная конструкционная стальПревосходноПревосходноМедно-цинковый припой HL-104

Латунь

Припой на основе серебра

Оловянно-свинцовый припой 
Боракс или смесь буры и борной кислоты

Пайка с использованием буры или защитного газа

OJ102 OJ104

Хлорид цинка или смесь хлорида цинка и хлорида аммония
 
 Углеродистая инструментальная стальХорошоHL-104

Латунь

Припой на основе серебра 
Боракс или смесь буры и борной кислоты

Боракс или пайка с использованием защитного газа

OJ102 OJ104
 
 Быстрорежущая сталь и углеродистая стальХорошоВысокоуглеродистая марганцевая сталь Боракс 
 Твердый сплавХорошоHL-104

HL-301 
Боракс или смесь буры и борной кислоты

OJ102
 
 ЧугунХорошоHL-104

Припой на основе серебра 
Боракс или смесь буры и борной кислоты

OJ102
 
Нержавеющая сталь1Cr18Ni9Ti (нержавеющая сталь)ХорошоХорошоМедно-никелевый припой

Медь

Припой на основе серебра

Припой на основе никеля

Припой на основе марганца

Оловянно-свинцовый припой 
OJ104

OJ104, сварка в газовой среде

OJ102, OJ104

Класс 201, газовая защита или вакуумная пайка

Пайка с газовой защитой или в вакууме

Раствор фосфорной кислоты, раствор хлорида цинка в соляной кислоте
 
Нержавеющая сталь1Cr3 (нержавеющая сталь)ХорошоМедно-никелевый припой

Припой на основе меди и серебра

Припой на основе никеля

Припой на основе марганца

Оловянно-свинцовый припой 
OJ104OJ104, сварка в газовой среде

OJ102, OJ104

Класс 201, газовая защита или вакуумная пайка

Пайка с газовой защитой или в вакууме

Раствор фосфорной кислоты, раствор хлорида цинка в соляной кислоте
 
 Высокотемпературный сплавХорошоПрипой на основе серебра

Медь

Припой на основе никеля 
OJ102

Пайка с газовой защитой или в вакууме

Пайка с газовой защитой или в вакууме
 
 СереброПревосходноПревосходноПрипой на основе серебра

Оловянно-свинцовый припой 
OJ102, OJ104

Спиртовой раствор канифоли
 
 Медь, латунь, бронзаПревосходноПревосходноМедно-фосфорный припой

Медно-цинковый припойПрипой на основе серебра

Припой на основе кадмия

Припой на основе свинца

Оловянно-свинцовый припой 
Флюс не требуется для сварка меди. Для медных сплавов в качестве флюса можно использовать буру или смесь буры и борной кислоты.

Боракс или смесь буры и борной кислоты

OJ102 OJ104

OJ205

Раствор хлорида цинка

Спиртовой раствор канифоли, хлорид цинка или раствор хлорида цинка и хлорида аммония
 
Алюминий и алюминиевые сплавыL2, LF21 (алюминиевые сплавы)ПревосходноПревосходноПрипой на основе алюминия

Оловянно-цинковый припой HJ501

Цинко-кадмиевый припой HJ502

HJ607 алюминиевый мягкий припой

HJ607 алюминиевый мягкий припой

Алюминиевая паяльная пластина 
OJ201, OJ206

Метод скребка

OJ203

OJ204

OJ202

Флюс № 1, № 2 для пайки погружением
Для вакуумной пайки не требуется флюс.
Алюминий и алюминиевые сплавыLF1, LF1-2 (алюминиевые сплавы)ХорошоХорошо   
Алюминий и алюминиевые сплавыLF5, LF6 (алюминиевые сплавы)БедныйБедный   
Алюминий и алюминиевые сплавыLD2 (алюминиевые сплавы)ХорошоПрипой на основе алюминия OJ201, OJ206 Будьте осторожны, чтобы не допустить перегрева
Алюминий и алюминиевые сплавыLD5, LD6 (алюминиевые сплавы)ТрудностиПрипой на основе алюминия HL402 Флюс № 1 и № 2 для пайки погружениемСклонны к перегреву, поэтому рекомендуется использовать пайку погружением.
Алюминий и алюминиевые сплавыLY12, LC4 (алюминиевые сплавы)Бедный  Очень склонны к перегреву, не подходят для пайки
Литой алюминий сплавыСерия Al-Cu (алюминиево-медные сплавы)ТрудностиHL505 OJ202Легко перегревается
Литые алюминиевые сплавыСерия Al-Si (алюминиево-кремниевые сплавы)ТрудностиHL401, HL505 OJ201, OJ202Плохое смачивание
Литые алюминиевые сплавыСерия Al-Mg (алюминиево-магниевые сплавы)Бедный  Сложно удалить поверхностные окислы, трудно паять
Литые алюминиевые сплавыСерия Al-Zn (алюминиево-цинковые сплавы)ХорошоПрипой на основе алюминия OJ201, OJ206 
Литые алюминиевые сплавыЛитье под давлением запчастиБедный  Образование пузырьков на поверхности основного материала
 Титан и титановые сплавыХорошоAg-5Al-0.5Mn

Ti-15Cu-15Ni 
 Пайка в вакууме или с газовой защитойСнижение пластичности суставов
 Алмаз и стальHL104БораксБудьте осторожны, чтобы не допустить растрескивания
 Алюминий и медь90Sn-10Zn

99Zn-1Pb
В качестве альтернативы можно использовать алюминиевая поверхность перед пайкой может быть омедненаАльтернативный вариант, алюминиевая поверхность перед пайкой может быть омеднена
 Титан и сталь, титан и нержавеющая стальHL308

Ag-5Al-0.5Mn
Пайка в вакууме или с газовой защитойСоединение относительно хрупкое
 Алюминий и железоПревосходноHL502

90Sn-10Zn
OJ205

OJ203
В качестве альтернативы алюминиевая поверхность может быть омеднена перед пайкой
 Керамика-керамика, керамика-металлПорошок 72Ag-28Cu+Ti Пайка в вакууме или с газовой защитойИли, после металлизации керамической поверхности, может быть выполнена пайка
 ГрафитПорошок 72Ag-28Cu+Ti,

Ti-Cu, Ti-Ni 
Пайка в вакууме или с газовой защитой 

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх