Soldadura fuerte de grafito y diamante policristalino

(1) Características de la soldadura fuerte: los problemas que presenta la soldadura fuerte policristalina de grafito y diamante son muy similares a los de la soldadura fuerte de cerámica. En comparación con el metal, la soldadura fuerte es difícil de humedecer en materiales policristalinos de grafito y diamante, y su coeficiente de expansión térmica es muy diferente al de los materiales estructurales generales. Ambos se calientan directamente en el aire, y se produce oxidación o carbonización cuando la temperatura supera los 400 °C. Por lo tanto, se debe utilizar la soldadura fuerte al vacío, con un grado de vacío no inferior a 10-1 Pa. Debido a que la resistencia de ambos materiales no es alta, si se produce tensión térmica durante la soldadura, pueden producirse grietas. Procure seleccionar un metal de aportación para la soldadura fuerte con bajo coeficiente de expansión térmica y controle estrictamente la velocidad de enfriamiento. Como la superficie de dichos materiales no es fácil de humedecer con metales de relleno de soldadura fuerte comunes, se puede depositar una capa de 2,5 ~ 12,5 um de espesor de W, Mo y otros elementos sobre la superficie de los materiales policristalinos de grafito y diamante mediante modificación de la superficie (recubrimiento al vacío, pulverización iónica, pulverización de plasma y otros métodos) antes de la soldadura fuerte y formar carburos correspondientes con ellos, o se pueden utilizar metales de relleno de soldadura fuerte de alta actividad.

El grafito y el diamante tienen diversos grados, que difieren en tamaño de partícula, densidad, pureza y otros aspectos, y presentan diferentes características de soldadura fuerte. Además, si la temperatura de los materiales de diamante policristalino supera los 1000 °C, la tasa de desgaste policristalino comienza a disminuir, y esta tasa disminuye en más del 50 % cuando la temperatura supera los 1200 °C. Por lo tanto, al soldar diamante al vacío, la temperatura de soldadura debe mantenerse por debajo de 1200 °C y el grado de vacío no debe ser inferior a 5 × 10-2 Pa.

(2) La elección del metal de aporte para soldadura fuerte se basa principalmente en el uso y el procesamiento de la superficie. Cuando se utiliza como material resistente al calor, se debe seleccionar el metal de aporte con alta temperatura de soldadura fuerte y buena resistencia al calor; para materiales resistentes a la corrosión química, se seleccionan metales de aporte con baja temperatura de soldadura fuerte y buena resistencia a la corrosión. Para el grafito después del tratamiento de metalización de la superficie, se puede utilizar soldadura de cobre puro con alta ductilidad y buena resistencia a la corrosión. La soldadura activa a base de plata y cobre tiene buena humectabilidad y fluidez al grafito y al diamante, pero la temperatura de servicio de la unión soldada es difícil de superar los 400 ℃. Para componentes de grafito y herramientas de diamante utilizadas entre 400 ℃ y 800 ℃, se suelen utilizar metales de aporte a base de oro, paladio, manganeso o titanio. Para uniones utilizadas entre 800 ℃ y 1000 ℃, se deben utilizar metales de aporte a base de níquel o de broca. Cuando se utilizan componentes de grafito por encima de 1000 ℃, se pueden utilizar metales de relleno de metal puro (Ni, PD, Ti) o metales de relleno de aleación que contengan molibdeno, Mo, Ta y otros elementos que pueden formar carburos con carbono.

Para grafito o diamante sin tratamiento superficial, los metales de aporte activos de la tabla 16 se pueden utilizar para la soldadura fuerte directa. La mayoría de estos metales de aporte son aleaciones binarias o ternarias basadas en titanio. El titanio puro reacciona fuertemente con el grafito, que puede formar una capa de carburo muy gruesa, y su coeficiente de expansión lineal es bastante diferente al del grafito, que es fácil de producir grietas, por lo que no se puede utilizar como soldadura. La adición de Cr y Ni al Ti puede reducir el punto de fusión y mejorar la humectabilidad con cerámicas. El Ti es una aleación ternaria, compuesta principalmente de Ti Zr, con la adición de TA, Nb y otros elementos. Tiene un bajo coeficiente de expansión lineal, lo que puede reducir la tensión de la soldadura fuerte. La aleación ternaria compuesta principalmente de Ti Cu es adecuada para la soldadura fuerte de grafito y acero, y la unión tiene una alta resistencia a la corrosión.

Tabla 16 Metales de aporte para soldadura fuerte directa de grafito y diamante

(3) Proceso de soldadura fuerte: los métodos de soldadura fuerte del grafito se pueden dividir en dos categorías: soldadura fuerte tras la metalización superficial y soldadura fuerte sin tratamiento superficial. Independientemente del método utilizado, la pieza soldada debe pretratarse antes del ensamblaje y los contaminantes superficiales de los materiales de grafito deben limpiarse con alcohol o acetona. En el caso de la soldadura fuerte con metalización superficial, se aplica una capa de Ni, Cu, Ti, Zr o disiliciuro de molibdeno sobre la superficie del grafito mediante pulverización de plasma, y ​​posteriormente se utiliza un metal de aporte a base de cobre o plata. La soldadura fuerte directa con soldadura activa es el método más utilizado actualmente. La temperatura de soldadura fuerte se puede seleccionar según la soldadura indicada en la tabla 16. La soldadura puede fijarse en el centro de la unión soldada o cerca de un extremo. Al soldar con un metal con un alto coeficiente de expansión térmica, se puede utilizar Mo o Ti con un cierto espesor como capa intermedia de amortiguación. La capa de transición puede producir deformación plástica durante el calentamiento de la soldadura fuerte, absorber la tensión térmica y evitar el agrietamiento del grafito. Por ejemplo, el molibdeno se utiliza como unión de transición para la soldadura fuerte al vacío de componentes de grafito y Hastelloyn. Se utiliza soldadura B-pd60ni35cr5 con buena resistencia a la corrosión por sales fundidas y a la radiación. La temperatura de soldadura es de 1260 °C y se mantiene durante 10 minutos.

El diamante natural se puede soldar directamente con b-ag68.8cu16.7ti4.5, b-ag66cu26ti8 y otras soldaduras activas. La soldadura se debe realizar al vacío o con protección de baja concentración de argón. La temperatura de soldadura no debe superar los 850 °C y se debe seleccionar una velocidad de calentamiento más rápida. El tiempo de mantenimiento a la temperatura de soldadura no debe ser demasiado largo (generalmente unos 10 s) para evitar la formación de una capa de garrapatas continua en la interfaz. Al soldar diamante y acero aleado, se debe añadir una capa intermedia de plástico o una capa de aleación de baja expansión para la transición y así evitar daños en los granos de diamante causados ​​por una tensión térmica excesiva. La herramienta de torneado o mandrinado para mecanizado de ultraprecisión se fabrica mediante un proceso de soldadura fuerte, que suelda de 20 a 100 mg de partículas pequeñas de diamante sobre el cuerpo de acero, alcanzando una resistencia de unión de 200 a 250 MPa.

El diamante policristalino se puede soldar con llama, alta frecuencia o vacío. Para cortar metal o piedra con hojas de sierra circular de diamante, se debe utilizar soldadura fuerte de alta frecuencia o llama. Se debe seleccionar un metal de aporte activo de Ag, Cu y Ti con bajo punto de fusión. La temperatura de soldadura se debe controlar por debajo de 850 °C, el tiempo de calentamiento no debe ser demasiado largo y se debe adoptar una velocidad de enfriamiento lenta. Las brocas de diamante policristalino utilizadas en la perforación petrolera y geológica presentan malas condiciones de trabajo y soportan grandes cargas de impacto. Se puede seleccionar un metal de aporte de soldadura fuerte a base de níquel y se puede utilizar una lámina de cobre puro como capa intermedia para la soldadura fuerte al vacío. Por ejemplo, se sueldan 350 ~ 400 cápsulas de diamante policristalino columnar de 4,5 ~ 4,5 mm en las perforaciones de acero 35CrMo o 40CrNiMo para formar dientes de corte. Se adopta soldadura fuerte al vacío, y el grado de vacío no es inferior a 5 × 10-2 Pa, la temperatura de soldadura es de 1020 ± 5 ℃, el tiempo de retención es de 20 ± 2 min y la resistencia al corte de la unión de soldadura es mayor a 200 mpa.

Durante la soldadura fuerte, se debe aprovechar al máximo el peso propio de la pieza soldada para el montaje y posicionamiento, de modo que la pieza metálica presione el grafito o el material policristalino en la parte superior. Al utilizar el dispositivo de posicionamiento, este debe tener un coeficiente de expansión térmica similar al de la pieza soldada.