(1) Características de la soldadura fuerte: los problemas que presenta la soldadura fuerte de grafito y diamante policristalino son muy similares a los que se presentan en la soldadura fuerte de cerámica. En comparación con los metales, la soldadura es difícil de humedecer en los 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 producirá oxidación o carbonización cuando la temperatura supere los 400 ℃. Por lo tanto, se debe adoptar la soldadura fuerte al vacío, y el grado de vacío no debe ser inferior a 10-1 Pa. Debido a que la resistencia de ambos no es alta, si hay tensión térmica durante la soldadura fuerte, pueden aparecer grietas. Procure seleccionar un metal de aporte para soldadura fuerte con un bajo coeficiente de expansión térmica y controle estrictamente la velocidad de enfriamiento. Dado que la superficie de estos materiales no se humedece fácilmente con los metales de aporte de soldadura fuertes comunes, se puede depositar una capa de 2,5 a 12,5 µm de espesor de W, Mo y otros elementos sobre la superficie de 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 los carburos correspondientes con ellos, o bien se pueden utilizar metales de aporte de soldadura fuerte de alta actividad.
El grafito y el diamante presentan diversas calidades, que difieren en tamaño de partícula, densidad, pureza y otros aspectos, y tienen características de soldadura distintas. Además, si la temperatura de los materiales de diamante policristalino supera los 1000 °C, la tasa de desgaste comienza a disminuir, y esta 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 los 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 un metal de aporte con alta temperatura de soldadura y buena resistencia al calor; para materiales resistentes a la corrosión química, se seleccionan metales de aporte con baja temperatura de soldadura y buena resistencia a la corrosión. Para el grafito después del tratamiento de metalización superficial, se puede utilizar soldadura de cobre puro con alta ductilidad y buena resistencia a la corrosión. Las soldaduras activas a base de plata y cobre tienen buena humectabilidad y fluidez para el grafito y el diamante, pero la temperatura de servicio de la junta soldada difícilmente supera los 400 ℃. Para componentes de grafito y herramientas de diamante utilizados entre 400 ℃ y 800 ℃, generalmente se utilizan metales de aporte a base de oro, paladio, manganeso o titanio. Para juntas utilizadas entre 800 ℃ y 1000 ℃, se deben utilizar metales de aporte a base de níquel o broca. Cuando se utilizan componentes de grafito a temperaturas superiores a 1000 ℃, se pueden emplear metales de aportación de metal puro (Ni, PD, Ti) o aleaciones metálicas de aportación que contengan molibdeno, Mo, Ta y otros elementos que puedan formar carburos con el carbono.
Para grafito o diamante sin tratamiento superficial, los metales de aporte activos de la tabla 16 se pueden utilizar para soldadura fuerte directa. La mayoría de estos metales de aporte son aleaciones binarias o ternarias a base de titanio. El titanio puro reacciona fuertemente con el grafito, lo que puede formar una capa de carburo muy gruesa, y su coeficiente de expansión lineal es bastante diferente al del grafito, lo que facilita la formación de 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 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: una es la soldadura fuerte después de la metalización de la superficie y la otra es la soldadura fuerte sin tratamiento de superficie. Independientemente del método utilizado, la soldadura debe ser pretratada antes del ensamblaje, y los contaminantes de la superficie de los materiales de grafito deben limpiarse con alcohol o acetona. En el caso de la soldadura fuerte con metalización de superficie, se debe depositar una capa de Ni, Cu o una capa de Ti, Zr o disilicuro de molibdeno sobre la superficie del grafito mediante proyección de plasma, y luego se debe utilizar un metal de aporte a base de cobre o un metal de aporte a base de plata para la soldadura fuerte. La soldadura fuerte directa con soldadura activa es el método más utilizado actualmente. La temperatura de soldadura fuerte se puede seleccionar de acuerdo con la soldadura proporcionada en la tabla 16. La soldadura se puede sujetar en el centro de la junta soldada o cerca de un extremo. Cuando se suelda con un metal con un alto coeficiente de expansión térmica, se puede utilizar Mo o Ti con un cierto espesor como capa intermedia amortiguadora. La capa de transición puede producir deformación plástica durante el calentamiento por soldadura fuerte, absorber la tensión térmica y evitar el agrietamiento del grafito. Por ejemplo, se utiliza molibdeno como capa de transición para la soldadura fuerte al vacío de componentes de grafito y hastelloyn. Se emplea soldadura B-pd60ni35cr5 con buena resistencia a la corrosión por sales fundidas y a la radiación. La temperatura de soldadura fuerte es de 1260 °C y se mantiene durante 10 minutos.
El diamante natural se puede soldar directamente con soldaduras activas como b-ag68.8cu16.7ti4.5, b-ag66cu26ti8 y otras. La soldadura debe realizarse al vacío o bajo atmósfera de argón. La temperatura de soldadura no debe superar los 850 °C y se debe seleccionar una velocidad de calentamiento rápida. El tiempo de mantenimiento a la temperatura de soldadura no debe ser demasiado prolongado (generalmente unos 10 s) para evitar la formación de una capa continua de tic 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, a fin de evitar daños en los granos de diamante causados por un estrés térmico excesivo. La herramienta de torneado o mandrinado para mecanizado de ultraprecisión se fabrica mediante un proceso de soldadura, en el que se sueldan 20-100 mg de diamante de partículas pequeñas al cuerpo de acero, y la resistencia de la unión alcanza los 200-250 MPa.
El diamante policristalino se puede soldar mediante llama, alta frecuencia o vacío. Se debe adoptar la soldadura por alta frecuencia o la soldadura por llama para cortar metal o piedra con hojas de sierra circular de diamante. Se debe seleccionar un metal de aporte de soldadura activo Ag Cu Ti con bajo punto de fusión. La temperatura de soldadura debe controlarse por debajo de 850 ℃, 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 tienen condiciones de trabajo difíciles y soportan enormes cargas de impacto. Se puede seleccionar un metal de aporte de soldadura a base de níquel y se puede utilizar una lámina de cobre puro como capa intermedia para la soldadura al vacío. Por ejemplo, 350 ~ 400 cápsulas de diamante policristalino columnar de Ф 4,5 ~ 4,5 mm se sueldan en las perforaciones de acero 35CrMo o 40CrNiMo para formar dientes de corte. Se emplea soldadura fuerte al vacío, con un grado de vacío no inferior a 5 × 10⁻² Pa, una temperatura de soldadura de 1020 ± 5 °C, un tiempo de mantenimiento de 20 ± 2 minutos y una resistencia al corte de la unión soldada superior 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 manera que la pieza metálica presione el grafito o el material policristalino en la parte superior. Al utilizar la plantilla de posicionamiento, esta deberá tener un coeficiente de dilatación térmica similar al de la pieza soldada.
Fecha de publicación: 13 de junio de 2022