Hàn than chì và kim cương đa tinh thể

(1) Đặc tính hàn: Các vấn đề liên quan đến hàn than chì và kim cương đa tinh thể rất giống với các vấn đề gặp phải trong hàn gốm. So với kim loại, vật liệu hàn than chì và kim cương đa tinh thể khó làm ướt, và hệ số giãn nở nhiệt của chúng rất khác so với vật liệu kết cấu thông thường. Cả hai được nung trực tiếp trong không khí, và quá trình oxy hóa hoặc cacbon hóa sẽ xảy ra khi nhiệt độ vượt quá 400℃. Do đó, phải áp dụng hàn chân không, và độ chân không không được nhỏ hơn 10-1pa. Do cường độ của cả hai không cao, nếu có ứng suất nhiệt trong quá trình hàn, có thể xảy ra nứt. Cố gắng chọn kim loại hàn có hệ số giãn nở nhiệt thấp và kiểm soát chặt chẽ tốc độ làm nguội. Do bề mặt của những vật liệu như vậy không dễ bị làm ướt bởi kim loại hàn thông thường nên có thể phủ một lớp dày 2,5 ~ 12,5um W, Mo và các nguyên tố khác lên bề mặt của vật liệu đa tinh thể than chì và kim cương bằng cách biến tính bề mặt (phủ chân không, phun ion, phun plasma và các phương pháp khác) trước khi hàn và tạo thành cacbua tương ứng với chúng hoặc có thể sử dụng kim loại hàn có hoạt tính cao.

Than chì và kim cương có nhiều loại, khác nhau về kích thước hạt, mật độ, độ tinh khiết và các khía cạnh khác, đồng thời có đặc tính hàn khác nhau. Ngoài ra, nếu nhiệt độ của vật liệu kim cương đa tinh thể vượt quá 1000℃, tỷ lệ hao mòn đa tinh thể bắt đầu giảm, và tỷ lệ hao mòn giảm hơn 50% khi nhiệt độ vượt quá 1200℃. Do đó, khi hàn chân không kim cương, nhiệt độ hàn phải được kiểm soát dưới 1200℃, và độ chân không không được nhỏ hơn 5×10-2Pa.

(2) Việc lựa chọn kim loại hàn chủ yếu dựa trên mục đích sử dụng và xử lý bề mặt. Khi sử dụng làm vật liệu chịu nhiệt, cần chọn kim loại hàn có nhiệt độ hàn cao và khả năng chịu nhiệt tốt; Đối với vật liệu chống ăn mòn hóa học, cần chọn kim loại hàn có nhiệt độ hàn thấp và khả năng chống ăn mòn tốt. Đối với than chì sau khi xử lý kim loại hóa bề mặt, có thể sử dụng hàn đồng nguyên chất có độ dẻo cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Hàn hoạt tính gốc bạc và gốc đồng có khả năng thấm ướt và chảy tốt đối với than chì và kim cương, nhưng nhiệt độ làm việc của mối hàn hàn khó có thể vượt quá 400 ℃. Đối với các thành phần than chì và dụng cụ kim cương được sử dụng trong khoảng từ 400 ℃ đến 800 ℃, thường sử dụng kim loại hàn gốc vàng, gốc palladium, gốc mangan hoặc gốc titan. Đối với các mối nối được sử dụng trong khoảng từ 800 ℃ đến 1000 ℃, cần sử dụng kim loại hàn gốc niken hoặc gốc khoan. Khi sử dụng các thành phần than chì ở nhiệt độ trên 1000 ℃, có thể sử dụng kim loại độn nguyên chất (Ni, PD, Ti) hoặc kim loại độn hợp kim chứa molypden, Mo, Ta và các nguyên tố khác có thể tạo thành cacbua với cacbon.

Đối với than chì hoặc kim cương không xử lý bề mặt, các kim loại độn hoạt động trong bảng 16 có thể được sử dụng để hàn trực tiếp. Hầu hết các kim loại độn này là hợp kim nhị phân hoặc tam phân dựa trên titan. Titan nguyên chất phản ứng mạnh với than chì, có thể tạo thành lớp cacbua rất dày và hệ số giãn nở tuyến tính của nó khá khác so với than chì, dễ tạo ra vết nứt, vì vậy không thể sử dụng làm chất hàn. Việc thêm Cr và Ni vào Ti có thể làm giảm điểm nóng chảy và cải thiện khả năng thấm ướt với gốm. Ti là hợp kim tam phân, chủ yếu bao gồm Ti Zr, với việc bổ sung TA, Nb và các nguyên tố khác. Nó có hệ số giãn nở tuyến tính thấp, có thể làm giảm ứng suất hàn. Hợp kim tam phân chủ yếu bao gồm Ti Cu thích hợp để hàn than chì và thép, và mối nối có khả năng chống ăn mòn cao.

Bảng 16 kim loại hàn để hàn trực tiếp than chì và kim cương

(3) Quy trình hàn Các phương pháp hàn than chì có thể được chia thành hai loại, một là hàn sau khi kim loại hóa bề mặt và loại còn lại là hàn không xử lý bề mặt. Bất kể sử dụng phương pháp nào, mối hàn phải được xử lý trước khi lắp ráp và các tạp chất bề mặt của vật liệu than chì phải được lau sạch bằng cồn hoặc axeton. Trong trường hợp hàn kim loại hóa bề mặt, một lớp Ni, Cu hoặc một lớp Ti, Zr hoặc molypden disilicide sẽ được mạ trên bề mặt than chì bằng cách phun plasma, sau đó sẽ sử dụng kim loại điền đầy gốc đồng hoặc kim loại điền đầy gốc bạc để hàn. Hàn trực tiếp bằng hàn hoạt tính là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Nhiệt độ hàn có thể được lựa chọn theo loại hàn được cung cấp trong bảng 16. Hàn có thể được kẹp ở giữa mối hàn hoặc gần một đầu. Khi hàn bằng kim loại có hệ số giãn nở nhiệt lớn, có thể sử dụng Mo hoặc Ti có độ dày nhất định làm lớp đệm trung gian. Lớp chuyển tiếp có thể tạo ra biến dạng dẻo trong quá trình gia nhiệt hàn, hấp thụ ứng suất nhiệt và tránh nứt than chì. Ví dụ, Mo được sử dụng làm mối hàn chuyển tiếp cho quá trình hàn chân không các linh kiện graphite và hastelloyn. Hàn B-pd60ni35cr5 có khả năng chống ăn mòn muối nóng chảy và bức xạ tốt. Nhiệt độ hàn là 1260℃ và duy trì nhiệt độ trong 10 phút.

Kim cương tự nhiên có thể được hàn trực tiếp bằng b-ag68.8cu16.7ti4.5, b-ag66cu26ti8 và các loại hàn hoạt tính khác. Quá trình hàn phải được thực hiện trong điều kiện chân không hoặc bảo vệ bằng khí Argon thấp. Nhiệt độ hàn không được vượt quá 850℃ và nên chọn tốc độ gia nhiệt nhanh hơn. Thời gian giữ nhiệt độ hàn không được quá dài (thường khoảng 10 giây) để tránh hình thành lớp tic liên tục tại giao diện. Khi hàn kim cương và thép hợp kim, nên thêm lớp xen kẽ nhựa hoặc lớp hợp kim giãn nở thấp để chuyển tiếp, nhằm ngăn ngừa hư hỏng hạt kim cương do ứng suất nhiệt quá mức. Dụng cụ tiện hoặc dụng cụ khoan cho gia công siêu chính xác được chế tạo bằng quy trình hàn, hàn kim cương hạt nhỏ 20 ~ 100mg lên thân thép, và cường độ mối hàn đạt 200 ~ 250mpa.

Kim cương đa tinh thể có thể được hàn bằng ngọn lửa, tần số cao hoặc chân không. Hàn bằng tần số cao hoặc hàn bằng ngọn lửa nên được áp dụng cho lưỡi cưa tròn kim cương cắt kim loại hoặc đá. Kim loại hàn hoạt tính Ag Cu Ti có điểm nóng chảy thấp nên được chọn. Nhiệt độ hàn phải được kiểm soát dưới 850 ℃, thời gian gia nhiệt không được quá dài và phải áp dụng tốc độ làm nguội chậm. Mũi khoan kim cương đa tinh thể được sử dụng trong khoan dầu khí và địa chất có điều kiện làm việc kém và chịu tải trọng va đập lớn. Có thể chọn kim loại hàn gốc niken và có thể sử dụng lá đồng nguyên chất làm lớp xen kẽ cho hàn chân không. Ví dụ, kim cương đa tinh thể dạng cột 350 ~ 400 viên nang Ф 4,5 ~ 4,5mm được hàn vào các lỗ của thép 35CrMo hoặc 40CrNiMo để tạo thành răng cắt. Sử dụng phương pháp hàn chân không, độ chân không không nhỏ hơn 5 × 10-2Pa, nhiệt độ hàn là 1020 ± 5 ℃, thời gian giữ là 20 ± 2 phút và cường độ cắt của mối hàn lớn hơn 200mpa

Trong quá trình hàn, trọng lượng bản thân của mối hàn phải được sử dụng để lắp ráp và định vị tối đa để phần kim loại ép chặt vật liệu graphite hoặc đa tinh thể ở phần trên. Khi sử dụng đồ gá để định vị, vật liệu đồ gá phải là vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt tương tự như hệ số giãn nở nhiệt của mối hàn.