(1) Löteigenschaften: Die Probleme beim Löten von Graphit und polykristallinem Diamant ähneln stark denen beim Löten von Keramik. Im Vergleich zu Metall benetzt Lot Graphit und polykristallinen Diamanten nur schwer und hat einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als herkömmliche Baumaterialien. Beide werden direkt an der Luft erhitzt, und bei Temperaturen über 400 °C kommt es zu Oxidation oder Verkohlung. Daher sollte Vakuumlöten verwendet werden, wobei der Vakuumgrad 10-1 Pa nicht unterschreiten darf. Da beide Materialien keine hohe Festigkeit aufweisen, können bei thermischer Spannung während des Lötens Risse entstehen. Wählen Sie nach Möglichkeit ein Lot mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und kontrollieren Sie die Abkühlgeschwindigkeit genau. Da die Oberfläche solcher Materialien nicht leicht von gewöhnlichen Hartloten benetzt werden kann, kann vor dem Hartlöten durch Oberflächenmodifizierung (Vakuumbeschichtung, Ionenzerstäubung, Plasmaspritzen und andere Methoden) eine 2,5 bis 12,5 µm dicke Schicht aus W, Mo und anderen Elementen auf der Oberfläche von polykristallinen Graphit- und Diamantmaterialien abgeschieden werden und mit ihnen entsprechende Carbide bilden. Alternativ können auch Hartlote mit hoher Aktivität verwendet werden.
Graphit und Diamant gibt es in vielen Qualitäten, die sich in Partikelgröße, Dichte, Reinheit und anderen Aspekten unterscheiden und unterschiedliche Löteigenschaften aufweisen. Darüber hinaus beginnt der polykristalline Verschleißanteil bei polykristallinen Diamantmaterialien ab einer Temperatur von 1000 °C zu sinken. Bei Temperaturen über 1200 °C sinkt der Verschleißanteil um mehr als 50 %. Daher muss beim Vakuumlöten von Diamant die Löttemperatur unter 1200 °C gehalten werden, und der Vakuumgrad darf 5 × 10-2 Pa nicht unterschreiten.
(2) Die Wahl des Hartlots richtet sich hauptsächlich nach der Verwendung und der Oberflächenbearbeitung. Bei hitzebeständigen Werkstoffen sollte ein Hartlot mit hoher Löttemperatur und guter Hitzebeständigkeit gewählt werden; bei chemisch korrosionsbeständigen Werkstoffen sollte ein Hartlot mit niedriger Löttemperatur und guter Korrosionsbeständigkeit gewählt werden. Für Graphit nach der Oberflächenmetallisierung kann reines Kupferlot mit hoher Duktilität und guter Korrosionsbeständigkeit verwendet werden. Aktivlote auf Silber- und Kupferbasis weisen eine gute Benetzbarkeit und Fließfähigkeit gegenüber Graphit und Diamant auf, die Betriebstemperatur der Lötverbindung überschreitet jedoch selten 400 °C. Für Graphitkomponenten und Diamantwerkzeuge, die bei Temperaturen zwischen 400 °C und 800 °C eingesetzt werden, werden üblicherweise Lote auf Gold-, Palladium-, Mangan- oder Titanbasis verwendet. Für Verbindungen zwischen 800 °C und 1000 °C sollten Lote auf Nickel- oder Bohrbasis verwendet werden. Bei der Verwendung von Graphitkomponenten über 1000 °C können reine Metallfüllstoffe (Ni, PD, Ti) oder Legierungsfüllstoffe mit Molybdän, Mo, Ta und anderen Elementen verwendet werden, die mit Kohlenstoff Carbide bilden können.
Für Graphit oder Diamant ohne Oberflächenbehandlung können die aktiven Füllmetalle in Tabelle 16 zum Direktlöten verwendet werden. Die meisten dieser Füllmetalle sind binäre oder ternäre Legierungen auf Titanbasis. Reines Titan reagiert stark mit Graphit, wodurch eine sehr dicke Carbidschicht entstehen kann. Sein linearer Ausdehnungskoeffizient unterscheidet sich stark von dem von Graphit, wodurch leicht Risse entstehen. Daher kann es nicht als Lot verwendet werden. Die Zugabe von Cr und Ni zu Ti kann den Schmelzpunkt senken und die Benetzbarkeit mit Keramik verbessern. Ti ist eine ternäre Legierung, die hauptsächlich aus Ti Zr mit Zusätzen von TA, Nb und anderen Elementen besteht. Sie hat einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten, wodurch die Lötspannung verringert werden kann. Die hauptsächlich aus Ti Cu bestehende ternäre Legierung eignet sich zum Löten von Graphit und Stahl, und die Verbindung weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
Tabelle 16 Hartlote zum Direktlöten von Graphit und Diamant
(3) Lötprozess: Die Lötmethoden für Graphit lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Löten nach Oberflächenmetallisierung und Löten ohne Oberflächenbehandlung. Unabhängig von der verwendeten Methode muss die Schweißnaht vor dem Zusammenbau vorbehandelt werden, und oberflächliche Verunreinigungen des Graphitmaterials müssen mit Alkohol oder Aceton entfernt werden. Beim Löten mit Oberflächenmetallisierung wird die Graphitoberfläche durch Plasmaspritzen mit einer Schicht aus Ni, Cu oder Ti, Zr oder Molybdändisilicid beschichtet, und anschließend wird zum Löten ein kupfer- oder silberbasiertes Füllmetall verwendet. Direktlöten mit Aktivlot ist derzeit das am weitesten verbreitete Verfahren. Die Löttemperatur kann entsprechend dem in Tabelle 16 angegebenen Lot ausgewählt werden. Das Lot kann in der Mitte der Lötverbindung oder in der Nähe eines Endes festgeklemmt werden. Beim Löten mit einem Metall mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten kann Mo oder Ti mit einer bestimmten Dicke als Zwischenpufferschicht verwendet werden. Die Übergangsschicht kann beim Löten plastische Verformungen erzeugen, thermische Spannungen absorbieren und Graphitrisse verhindern. Beispielsweise wird Molybdän als Übergangsverbindung beim Vakuumlöten von Graphit- und Hastelloyn-Komponenten verwendet. Zum Einsatz kommt das Lot B-pd60ni35cr5 mit guter Beständigkeit gegen Schmelzsalzkorrosion und Strahlung. Die Löttemperatur beträgt 1260 °C und wird 10 Minuten lang gehalten.
Naturdiamant kann direkt mit b-ag68.8cu16.7ti4.5, b-ag66cu26ti8 und anderen Aktivloten gelötet werden. Das Löten erfolgt unter Vakuum oder Argonschutz. Die Löttemperatur sollte 850 °C nicht überschreiten, und es sollte eine höhere Heizrate gewählt werden. Die Haltezeit bei Löttemperatur sollte nicht zu lang sein (in der Regel ca. 10 s), um die Bildung einer durchgehenden Ti-Schicht an der Grenzfläche zu vermeiden. Beim Löten von Diamant und legiertem Stahl sollte eine Kunststoffzwischenschicht oder eine Schicht aus einer Legierung mit geringer Ausdehnung für den Übergang hinzugefügt werden, um eine Beschädigung der Diamantkörner durch übermäßige thermische Belastung zu verhindern. Dreh- oder Bohrwerkzeuge für die Ultrapräzisionsbearbeitung werden im Hartlötverfahren hergestellt, bei dem 20–100 mg feinkörniger Diamant auf den Stahlkörper gelötet werden. Die Verbindungsfestigkeit der Lötverbindung erreicht 200–250 MPa.
Polykristalliner Diamant kann mit Flamme, Hochfrequenz oder Vakuum gelötet werden. Für Diamant-Kreissägeblätter zum Schneiden von Metall oder Stein sollte Hochfrequenz- oder Flammenlöten verwendet werden. Es sollte ein aktives Ag Cu Ti-Hartlot mit niedrigem Schmelzpunkt ausgewählt werden. Die Löttemperatur sollte unter 850 °C liegen, die Aufheizzeit sollte nicht zu lang sein und die Abkühlrate sollte langsam sein. Bohrer aus polykristallinem Diamant, die bei Erdöl- und geologischen Bohrungen verwendet werden, haben schlechte Arbeitsbedingungen und sind enormen Stoßbelastungen ausgesetzt. Als Zwischenschicht zum Vakuumlöten kann ein Lötfüllmaterial auf Nickelbasis ausgewählt und reine Kupferfolie verwendet werden. Beispielsweise werden 350 bis 400 Kapseln × 4,5 bis 4,5 mm säulenförmiger polykristalliner Diamant in die Perforationen von 35CrMo- oder 40CrNiMo-Stahl gelötet, um Schneidzähne zu bilden. Es wird Vakuumlöten verwendet, und der Vakuumgrad beträgt nicht weniger als 5 × 10-2 Pa, die Löttemperatur beträgt 1020 ± 5 °C, die Haltezeit beträgt 20 ± 2 Minuten und die Scherfestigkeit der Lötverbindung ist größer als 200 MPa
Beim Löten ist das Eigengewicht der Schweißnaht so weit wie möglich für die Montage und Positionierung zu nutzen, damit das Metallteil den Graphit oder das polykristalline Material im oberen Teil andrückt. Bei Verwendung einer Vorrichtung zur Positionierung muss das Material der Vorrichtung einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Schweißnaht aufweisen.
Veröffentlichungszeit: 13. Juni 2022