Brasagem de materiais policristalinos de grafite e diamante: explicado

1. Características de Brasagem

A brasagem de materiais policristalinos de grafite e diamante enfrenta desafios semelhantes aos da brasagem cerâmica.

Em comparação com os metais, os metais de adição para brasagem têm dificuldade em molhar materiais policristalinos de grafite e diamante, e seus coeficientes de expansão térmica diferem significativamente daqueles dos materiais estruturais típicos. Se aquecido diretamente ao ar, pode ocorrer oxidação ou formação de carboneto quando a temperatura exceder 400°C.

Portanto, deve-se adotar a brasagem a vácuo, com nível de vácuo não inferior a 10^-1 Pa. Como os materiais policristalinos de grafite e diamante apresentam baixa resistência, a presença de tensões térmicas durante a brasagem pode levar à formação de trincas.

É importante selecionar metais de adição com baixo coeficiente de expansão térmica e controlar rigorosamente a taxa de resfriamento.

Como a superfície de tais materiais não é facilmente umedecida por metais de adição de brasagem típicos, métodos de modificação de superfície pré-brasagem, como revestimento a vácuo, pulverização catódica de íons ou pulverização de plasma, podem ser empregados para depositar uma camada de elementos como W e 2,5-12,5um de espessura. Mo na superfície dos materiais policristalinos de grafite e diamante, formando carbonetos correspondentes, ou metais de adição de brasagem de alta atividade podem ser usados.

Grafite e diamante vêm em vários graus, diferindo em tamanho de partícula, densidade, pureza e outros aspectos, e possuindo diferentes características de brasagem.

Além disso, para materiais policristalinos de diamante em ambiente de vácuo, se a temperatura exceder 1000°C, a taxa de desgaste começa a diminuir, e se exceder 1200°C, a taxa de desgaste diminui em mais de 50%.

Portanto, na brasagem a vácuo de diamantes, a temperatura de brasagem deve ser controlada abaixo de 1200°C, com um nível de vácuo não inferior a 5×10^-2 Pai.

2. Seleção do metal de adição:

A seleção do metal de adição depende principalmente da aplicação e das condições de processamento da superfície. Quando usados ​​como materiais resistentes ao calor, devem ser escolhidos enchimentos de brasagem com temperatura de brasagem mais alta e boa resistência ao calor.

Para materiais com resistência à corrosão química, devem ser selecionados enchimentos de brasagem com temperatura de brasagem mais baixa e boa resistência à corrosão. Para grafite que passou por tratamento de metalização superficial, podem ser usados ​​​​metais de adição de cobre puro dúcteis e resistentes à corrosão.

Metais de adição ativos à base de prata e cobre têm boa umectação e fluidez tanto em grafite quanto em diamante, mas a temperatura de uso da junta soldada não deve exceder 400°C.

Para componentes de grafite e ferramentas de diamante usadas entre 400 e 800°C, normalmente são usados ​​enchimentos de brasagem à base de ouro, à base de paládio, à base de manganês ou à base de titânio. Para juntas utilizadas entre 800 e 1000°C, são escolhidos enchimentos de brasagem à base de níquel ou tungstênio.

Quando componentes de grafite são usados ​​acima de 1000°C, podem ser usados ​​metais de adição de metal puro (Ni, Pd, Ti) ou metais de adição de liga contendo elementos como molibdênio (Mo) ou tântalo (Ta) que podem formar carbonetos com carbono.

Para grafite ou diamante sem tratamento de superfície, as cargas ativas de brasagem listadas na Tabela 16 podem ser usadas para brasagem direta. Esses metais de adição são principalmente ligas binárias ou ternárias à base de titânio. O titânio puro reage fortemente com o grafite, formando uma espessa camada de carboneto, e seu coeficiente de expansão linear difere significativamente do grafite, levando à formação de trincas.

Portanto, não pode ser usado como metal de adição. Adicionar Cr e Ni ao Ti pode diminuir o ponto de fusão e melhorar a umectação com cerâmica. As ligas ternárias à base de Ti-Zr, com adição de elementos como Ta e Nb, possuem baixo coeficiente de expansão linear, reduzindo as tensões de brasagem.

Ligas ternárias baseadas principalmente em Ti-Cu são adequadas para brasagem de grafite e aço, proporcionando alta resistência à corrosão nas juntas.

Tabela 16: Metais de adição para brasagem direta de grafite e diamante.

3. Processo de Brasagem

Os métodos de brasagem de grafite podem ser divididos em duas categorias: uma é a brasagem após metalização da superfície e a outra é a brasagem sem tratamento de superfície. Independentemente do método utilizado, antes da montagem das peças soldadas, as peças devem ser pré-tratadas passando a superfície do material de grafite com álcool ou acetona para remover quaisquer contaminantes.

Ao usar brasagem de metalização de superfície, uma camada de Ni ou Cu pode ser galvanizada na superfície de grafite, ou uma camada de Ti, Zr ou dissilicieto de molibdênio pode ser depositada usando pulverização de plasma.

Em seguida, materiais de brasagem à base de cobre ou prata são usados ​​para o processo de brasagem. O método mais comumente empregado é a brasagem direta usando materiais de brasagem ativos, e a temperatura de brasagem pode ser selecionada com base nos materiais de brasagem fornecidos na Tabela 16.

O material de brasagem pode ser colocado no meio ou próximo a uma extremidade da junta soldada. Na brasagem com metais que possuem um alto coeficiente de expansão térmica, uma certa espessura de Mo ou Ti pode ser usada como camada tampão intermediária.

Esta camada de transição pode sofrer deformação plástica durante o aquecimento, absorvendo o estresse térmico e evitando rachaduras no grafite.

Por exemplo, para brasagem a vácuo de componentes Hastelloy N à base de níquel resistentes à corrosão e grafite, é usado um material de brasagem B-Pd60Ni35Cr5 com boa resistência à corrosão por sal fundido e resistência à radiação. A temperatura de brasagem é de 1260°C e o tempo de isolamento é de 10 minutos.

O diamante natural pode ser brasado diretamente usando materiais de brasagem ativos como B-Ag68.8Cu16.7Ti4.5 e B-Ag66Cu26Ti8. A brasagem deve ser realizada sob vácuo ou proteção com baixo teor de gás argônio. A temperatura de brasagem não deve exceder 850°C e uma taxa de aquecimento mais rápida deve ser selecionada.

O tempo de permanência na temperatura de brasagem não deve ser muito longo (geralmente em torno de 10 segundos) para evitar a formação de uma camada contínua de TiC na interface.

Ao brasar diamantes em aço-liga, uma camada intermediária de plástico ou uma camada de liga de baixa expansão deve ser usada como transição para evitar estresse térmico excessivo que pode danificar os grãos do diamante.

Os processos de brasagem são usados ​​para fabricar ferramentas de usinagem de ultraprecisão, como ferramentas de torneamento ou ferramentas de mandrilamento, por meio da brasagem de pequenas partículas de diamante (20-100mg) em um corpo de aço. A resistência da junta soldada atinge 200-250MPa.

O diamante policristalino pode ser brasado usando brasagem por chama, brasagem de alta frequência ou brasagem a vácuo. As lâminas de serra circular diamantadas usadas para cortar metais ou pedras devem ser soldadas usando brasagem de alta frequência ou brasagem por chama com materiais de brasagem ativos de baixo ponto de fusão, como Ag-Cu-Ti.

A temperatura de brasagem deve ser controlada abaixo de 850°C e o tempo de aquecimento não deve ser muito longo. O resfriamento lento deve ser adotado. Para brocas de diamante policristalino usadas em perfuração geológica e de petróleo, que estão sujeitas a condições de trabalho adversas e cargas de impacto significativas, materiais de brasagem à base de níquel podem ser selecionados e folha de cobre puro pode ser usada como camada intermediária para brasagem a vácuo.

Por exemplo, para brasar 350-400 partículas cilíndricas de diamante policristalino (4,5-4,5 mm) nos orifícios dos dentes de aço 35CrMo ou 40CrNiMo para formar dentes cortantes, a brasagem a vácuo é empregada com um grau de vácuo não inferior a 5×10-2Pa. A temperatura de brasagem é de 1020±5°C, o tempo de isolamento é de 20±2 minutos e a resistência ao cisalhamento da costura soldada é superior a 200MPa.

Durante a brasagem, é aconselhável utilizar o peso da peça para montagem e posicionamento, permitindo que as peças metálicas pressionem o grafite ou o material policristalino. Ao utilizar acessórios para posicionamento, o material dos acessórios deve ter um coeficiente de expansão térmica semelhante ao da peça.

Brasagem de materiais compósitos à base de alumínio (1) Características da brasagem Os materiais compósitos à base de alumínio são classificados principalmente em duas categorias: reforçados com partículas (incluindo bigodes) e reforçados com fibras, com materiais como B, CB, SiC usados ​​para reforço.

Durante o aquecimento de materiais compósitos à base de alumínio para brasagem, o Al base sofre facilmente reações químicas com a fase de reforço. Por exemplo, o Si no material de brasagem difunde-se rapidamente no material de base, levando à formação de uma camada de gotículas quebradiças. Isso reduz o desempenho do material.

Além disso, devido à diferença significativa no coeficiente de expansão linear entre o Al e a fase de reforço, o aquecimento inadequado da brasagem pode gerar tensão térmica na interface, levando à fissuração da junta.

Além disso, existe uma fraca molhabilidade entre o material de brasagem e a fase de reforço, necessitando de tratamento superficial do material compósito para brasagem ou a utilização de materiais de brasagem activos. A brasagem a vácuo deve ser adotada sempre que possível.

(2) Materiais e Processo de Brasagem

Materiais compósitos à base de alumínio reforçados com partículas B ou SiC podem ser brasados ​​usando técnicas de brasagem suave. Antes da brasagem, o tratamento de superfície pode ser realizado através de polimento com lixa, escovação de aço, lavagem alcalina ou niquelagem eletrolítica (espessura do revestimento de 0,05 mm).

Materiais de brasagem como S-Cd95Ag, S-Zn95Al e S-Cd83Zn podem ser usados, com aquecimento suave por chama de oxi-acetileno. Além disso, o uso de material de brasagem S-Zn95Al para brasagem por fricção pode atingir alta resistência da junta.

A brasagem a vácuo pode ser aplicada para unir materiais compósitos à base de alumínio 6061 reforçados com fibra curta. A superfície deverá ser lixada e polida com lixa 800 antes de ser limpa com acetona por ultrassom.

Materiais de brasagem Al-Si são usados ​​principalmente e, para evitar a difusão de Si no material de base, uma camada de barreira de folha de alumínio puro pode ser revestida na superfície de brasagem do material compósito.

Alternativamente, um material de brasagem B-Al64SiMgBi (11,65i-15Mg-0,5Bi) com menor resistência de brasagem pode ser escolhido. A faixa de temperatura de fusão deste material de brasagem é de 554-572°C, e a temperatura de brasagem pode ser selecionada como 580-590°C com um tempo de brasagem de 5 minutos. A resistência ao cisalhamento da junta é superior a 80MPa.

Para materiais compósitos à base de alumínio com reforço de partículas de grafite, a brasagem a vácuo em um forno com atmosfera protetora é o método mais bem-sucedido. Para melhorar a molhabilidade, devem ser utilizados materiais de brasagem Al-Si contendo Mg.

Semelhante à brasagem a vácuo de alumínio, a introdução de vapor de Mg ou desgaseificação de Ti, bem como a adição de uma certa quantidade de Mg, pode melhorar significativamente a molhabilidade do material de brasagem para materiais compósitos à base de alumínio.

Soldabilidade de vários materiais