(1) Caratteristiche della brasatura: i problemi relativi alla brasatura di grafite e diamante policristallino sono molto simili a quelli riscontrati nella brasatura ceramica. Rispetto al metallo, la saldatura ha difficoltà a bagnare i materiali di grafite e diamante policristallino, e il suo coefficiente di dilatazione termica è molto diverso da quello dei materiali strutturali comuni. Entrambi vengono riscaldati direttamente in aria e si verifica ossidazione o carbonizzazione quando la temperatura supera i 400 ℃. Pertanto, è necessario adottare la brasatura sottovuoto e il grado di vuoto non deve essere inferiore a 10⁻¹ Pa. Poiché la resistenza di entrambi non è elevata, se si verifica stress termico durante la brasatura, possono verificarsi crepe. Cercare di selezionare un metallo d'apporto per brasatura con un basso coefficiente di dilatazione termica e controllare rigorosamente la velocità di raffreddamento. Poiché la superficie di tali materiali non è facilmente bagnabile dai comuni metalli d'apporto per brasatura, è possibile depositare uno strato di W, Mo e altri elementi dello spessore di 2,5 ~ 12,5 µm sulla superficie di materiali policristallini di grafite e diamante mediante modifica superficiale (rivestimento sottovuoto, sputtering ionico, spruzzatura al plasma e altri metodi) prima della brasatura, formando con essi i corrispondenti carburi, oppure si possono utilizzare metalli d'apporto per brasatura ad alta attività.
La grafite e il diamante presentano diverse qualità, che si differenziano per granulometria, densità, purezza e altri aspetti, e hanno quindi caratteristiche di brasatura differenti. Inoltre, se la temperatura dei materiali in diamante policristallino supera i 1000 °C, il tasso di usura policristallina inizia a diminuire, e tale tasso si riduce di oltre il 50% quando la temperatura supera i 1200 °C. Pertanto, durante la brasatura sottovuoto del diamante, la temperatura di brasatura deve essere mantenuta al di sotto dei 1200 °C e il grado di vuoto non deve essere inferiore a 5 × 10⁻² Pa.
(2) La scelta del metallo d'apporto per brasatura si basa principalmente sull'uso e sul trattamento superficiale. Quando utilizzato come materiale resistente al calore, si deve selezionare un metallo d'apporto per brasatura con elevata temperatura di brasatura e buona resistenza al calore; per i materiali resistenti alla corrosione chimica, si selezionano metalli d'apporto per brasatura con bassa temperatura di brasatura e buona resistenza alla corrosione. Per la grafite dopo il trattamento di metallizzazione superficiale, si può utilizzare una lega di rame puro con elevata duttilità e buona resistenza alla corrosione. Le leghe attive a base di argento e rame hanno una buona bagnabilità e fluidità con la grafite e il diamante, ma la temperatura di esercizio del giunto brasato difficilmente supera i 400 °C. Per i componenti in grafite e gli utensili diamantati utilizzati tra 400 °C e 800 °C, si utilizzano solitamente metalli d'apporto a base di oro, palladio, manganese o titanio. Per i giunti utilizzati tra 800 °C e 1000 °C, si devono utilizzare metalli d'apporto a base di nichel o di trapano. Quando si utilizzano componenti in grafite a temperature superiori a 1000 °C, è possibile utilizzare materiali d'apporto metallici puri (Ni, PD, Ti) o leghe metalliche contenenti molibdeno, Mo, Ta e altri elementi in grado di formare carburi con il carbonio.
Per la brasatura diretta di grafite o diamante senza trattamento superficiale, è possibile utilizzare i metalli d'apporto attivi indicati nella tabella 16. La maggior parte di questi metalli d'apporto sono leghe binarie o ternarie a base di titanio. Il titanio puro reagisce fortemente con la grafite, formando uno strato di carburo molto spesso, e il suo coefficiente di dilatazione lineare è molto diverso da quello della grafite, il che ne facilita la formazione di crepe e ne impedisce l'utilizzo come materiale di saldatura. L'aggiunta di Cr e Ni al Ti può ridurre il punto di fusione e migliorare la bagnabilità con la ceramica. Il Ti è una lega ternaria, composta principalmente da TiZr, con l'aggiunta di TA, Nb e altri elementi. Ha un basso coefficiente di dilatazione lineare, che può ridurre le sollecitazioni di brasatura. La lega ternaria composta principalmente da TiCu è adatta per la brasatura di grafite e acciaio, e il giunto presenta un'elevata resistenza alla corrosione.
Tabella 16: metalli d'apporto per 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 superficiale e la brasatura senza trattamento superficiale. Indipendentemente dal metodo utilizzato, la saldatura deve essere pretrattata prima dell'assemblaggio e i contaminanti superficiali dei materiali in grafite devono essere puliti con alcol o acetone. Nel caso della brasatura con metallizzazione superficiale, uno strato di Ni, Cu o uno strato di Ti, Zr o disiliciuro di molibdeno deve essere depositato sulla superficie della grafite mediante spruzzatura al plasma, e quindi deve essere utilizzato un metallo d'apporto a base di rame o a base di argento per la brasatura. La brasatura diretta con saldatura attiva è il metodo attualmente più utilizzato. La temperatura di brasatura può essere selezionata in base alla saldatura fornita nella tabella 16. La saldatura può essere bloccata al centro del giunto brasato o vicino a un'estremità. Quando si brasa con un metallo con un elevato coefficiente di dilatazione termica, Mo o Ti con un certo spessore possono essere utilizzati come strato tampone intermedio. Lo strato di transizione può produrre deformazione plastica durante il riscaldamento di brasatura, assorbire le sollecitazioni termiche ed evitare la fessurazione della grafite. Ad esempio, il molibdeno viene utilizzato come giunto di transizione per la brasatura sottovuoto di componenti in grafite e hastelloyn. Viene utilizzata una lega di saldatura B-pd60ni35cr5 con buona resistenza alla corrosione da sali fusi e alle radiazioni. La temperatura di brasatura è di 1260 °C e viene mantenuta per 10 minuti.
Il diamante naturale può essere brasato direttamente con leghe di saldatura attive b-ag68.8cu16.7ti4.5, b-ag66cu26ti8 e altre. La brasatura deve essere eseguita sotto vuoto o in atmosfera di argon a bassa pressione. La temperatura di brasatura non deve superare gli 850 °C e si deve selezionare una velocità di riscaldamento più elevata. Il tempo di mantenimento alla temperatura di brasatura non deve essere troppo lungo (generalmente circa 10 secondi) per evitare la formazione di uno strato continuo di ossido all'interfaccia. Quando si brasano diamante e acciaio legato, è necessario aggiungere uno strato intermedio di plastica o uno strato di lega a bassa espansione per la transizione, al fine di prevenire danni ai grani di diamante causati da eccessive sollecitazioni termiche. Gli utensili di tornitura o alesatura per lavorazioni di ultra precisione sono realizzati mediante un processo di brasatura che prevede la brasatura di 20-100 mg di diamante a particelle fini sul corpo in acciaio, e la resistenza del giunto di brasatura raggiunge i 200-250 MPa.
Il diamante policristallino può essere brasato a fiamma, ad alta frequenza o sottovuoto. Per le lame circolari diamantate destinate al taglio di metalli o pietre, si deve adottare la brasatura ad alta frequenza o a fiamma. Si deve selezionare un metallo d'apporto attivo per brasatura Ag-Cu-Ti con basso punto di fusione. La temperatura di brasatura deve essere controllata al di sotto di 850 °C, il tempo di riscaldamento non deve essere eccessivamente lungo e si deve adottare una velocità di raffreddamento lenta. Le punte di diamante policristallino utilizzate nelle perforazioni petrolifere e geologiche sono soggette a condizioni di lavoro difficili e a carichi d'impatto elevatissimi. Si può selezionare un metallo d'apporto per brasatura a base di nichel e utilizzare una lamina di rame puro come strato intermedio per la brasatura sottovuoto. Ad esempio, 350-400 capsule di diamante policristallino colonnare di Ø 4,5-4,5 mm vengono brasate nelle perforazioni di acciaio 35CrMo o 40CrNiMo per formare i denti di taglio. Viene adottata la brasatura sottovuoto, con un grado di vuoto non inferiore a 5 × 10⁻² Pa, una temperatura di brasatura di 1020 ± 5 ℃, un tempo di mantenimento di 20 ± 2 min e una resistenza al taglio del giunto brasato superiore a 200 MPa.
Durante la brasatura, per l'assemblaggio e il posizionamento si deve sfruttare il più possibile il peso proprio del pezzo saldato, in modo che la parte metallica prema sul materiale grafitico o policristallino nella parte superiore. Quando si utilizza un dispositivo di fissaggio per il posizionamento, il materiale di quest'ultimo deve avere un coefficiente di dilatazione termica simile a quello del pezzo saldato.
Data di pubblicazione: 13 giugno 2022