(1) Lötcharakteristika: Die Probleme beim Löten von polykristallinem Graphit und Diamant ähneln stark denen beim Keramiklöten. Im Vergleich zu Metallen benetzt Lot polykristalline Graphit- und Diamantwerkstoffe nur schwer, und ihr Wärmeausdehnungskoeffizient unterscheidet sich deutlich von dem gängiger Konstruktionswerkstoffe. Werden beide Materialien direkt an der Luft erhitzt, kommt es bei Temperaturen über 400 °C zu Oxidation oder Verkohlung. Daher ist Vakuumlöten mit einem Vakuumgrad von mindestens 10⁻¹ Pa erforderlich. Aufgrund der geringen Festigkeit beider Materialien können bei thermischer Spannung während des Lötprozesses Risse entstehen. Wählen Sie daher ein Lötmetall mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und kontrollieren Sie die Abkühlgeschwindigkeit genau. Da die Oberfläche solcher Werkstoffe von gewöhnlichen Lötmetallen nicht leicht benetzt wird, kann vor dem Löten eine 2,5 bis 12,5 µm dicke Schicht aus W, Mo und anderen Elementen durch Oberflächenmodifizierung (Vakuumbeschichtung, Ionenzerstäubung, Plasmaspritzen und andere Verfahren) auf die Oberfläche von polykristallinen Graphit- und Diamantwerkstoffen aufgebracht werden, um mit diesen entsprechende Carbide zu bilden. Alternativ können auch hochaktive Lötmetalle verwendet werden.
Graphit und Diamant existieren in vielen Qualitäten, die sich in Partikelgröße, Dichte, Reinheit und anderen Eigenschaften unterscheiden und unterschiedliche Lötcharakteristika aufweisen. Darüber hinaus beginnt der Verschleißgrad polykristalliner Diamantwerkstoffe ab einer Temperatur von 1000 °C zu sinken und verringert sich bei Temperaturen über 1200 °C um mehr als 50 %. Daher muss beim Vakuumlöten von Diamant die Löttemperatur unter 1200 °C gehalten und der Vakuumgrad mindestens 5 × 10⁻² Pa betragen.
(2) Die Wahl des Lötmetalls richtet sich hauptsächlich nach dem Verwendungszweck und der Oberflächenbehandlung. Bei Verwendung als hitzebeständiges Material ist ein Lötmetall mit hoher Löttemperatur und guter Hitzebeständigkeit zu wählen. Für chemisch korrosionsbeständige Materialien werden Lötmetalle mit niedriger Löttemperatur und guter Korrosionsbeständigkeit verwendet. Für Graphit nach der Oberflächenmetallisierung kann reines Kupferlot mit hoher Duktilität und guter Korrosionsbeständigkeit eingesetzt werden. Aktivlote auf Silber- und Kupferbasis weisen eine gute Benetzbarkeit und Fließfähigkeit auf Graphit und Diamant auf, jedoch überschreitet die Betriebstemperatur der Lötverbindung selten 400 °C. Für Graphitbauteile und Diamantwerkzeuge, die zwischen 400 °C und 800 °C eingesetzt werden, kommen üblicherweise Lötmetalle auf Gold-, Palladium-, Mangan- oder Titanbasis zum Einsatz. Für Verbindungen, die zwischen 800 °C und 1000 °C eingesetzt werden, sind Lötmetalle auf Nickel- oder Bohrbasis zu verwenden. Bei Verwendung von Graphitkomponenten oberhalb von 1000 °C können reine Metallfüllmetalle (Ni, PD, Ti) oder Legierungsfüllmetalle, die Molybdän, Mo, Ta und andere Elemente enthalten, die mit Kohlenstoff Carbide bilden können, verwendet werden.
Für Graphit oder Diamant ohne Oberflächenbehandlung können die in Tabelle 16 aufgeführten aktiven Lötmetalle zum Direktlöten verwendet werden. Die meisten dieser Lötmetalle sind binäre oder ternäre Legierungen auf Titanbasis. Reines Titan reagiert stark mit Graphit, wodurch sich eine sehr dicke Carbidschicht bilden kann. Sein linearer Ausdehnungskoeffizient unterscheidet sich deutlich von dem von Graphit, was zu Rissbildung führt und es daher nicht als Lötmetall geeignet macht. Die Zugabe von Chrom und Nickel zu Titan senkt den Schmelzpunkt und verbessert die Benetzbarkeit mit Keramik. Titan ist eine ternäre Legierung, die hauptsächlich aus Titan-Zr-Legierung mit Zusätzen von Titan, Niob und anderen Elementen besteht. Es besitzt einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten, wodurch die Lötspannung reduziert wird. Die hauptsächlich aus Titan-Kupfer bestehende ternäre Legierung eignet sich zum Löten von Graphit und Stahl, und die Verbindung weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
Tabelle 16 Lötmetalle für das Direktlöten von Graphit und Diamant
(3) Lötverfahren: Die Lötverfahren für Graphit lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Löten nach Oberflächenmetallisierung und Löten ohne Oberflächenbehandlung. Unabhängig vom Verfahren muss das Werkstück vor der Montage vorbehandelt und Oberflächenverunreinigungen des Graphits mit Alkohol oder Aceton entfernt werden. Beim Oberflächenmetallisierungslöten wird eine Schicht aus Ni, Cu oder Ti, Zr oder Molybdändisilizid mittels Plasmaspritzen auf die Graphitoberfläche aufgebracht. Anschließend wird ein kupfer- oder silberbasierter Lötlot verwendet. Das Direktlöten mit Aktivlot ist derzeit das gängigste Verfahren. Die Löttemperatur richtet sich nach dem in Tabelle 16 aufgeführten Lot. Das Lot kann mittig oder an einem Ende der Lötverbindung fixiert werden. Beim Löten mit Metallen mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten kann eine Mo- oder Ti-Schicht bestimmter Dicke als Zwischenpufferschicht verwendet werden. Die Übergangsschicht kann während des Lötprozesses plastische Verformung bewirken, thermische Spannungen absorbieren und Graphitrisse verhindern. Beispielsweise wird Molybdän als Übergangsschicht beim Vakuumlöten von Graphit- und Hastelloyn-Bauteilen verwendet. Zum Einsatz kommt das Lötmetall B-PD60Ni35Cr5 mit guter Beständigkeit gegen Salzschmelzenkorrosion und Strahlung. Die Löttemperatur beträgt 1260 °C und wird 10 Minuten lang gehalten.
Natürlicher Diamant kann direkt mit b-ag68,8cu16,7ti4,5, b-ag66cu26ti8 und anderen aktiven Loten verlötet werden. Das Löten muss unter Vakuum oder Argon-Schutzgasatmosphäre erfolgen. Die Löttemperatur sollte 850 °C nicht überschreiten, und eine hohe Aufheizrate ist zu wählen. Die Haltezeit bei der Löttemperatur sollte nicht zu lang sein (in der Regel etwa 10 s), um die Bildung einer durchgehenden Schmelzschicht an der Grenzfläche zu vermeiden. Beim Löten von Diamant und legiertem Stahl sollte eine Kunststoffzwischenschicht oder eine Legierungsschicht mit geringer Wärmeausdehnung als Übergangsschicht verwendet werden, um die Diamantkörner vor Beschädigung durch übermäßige thermische Spannungen zu schützen. Dreh- und Bohrwerkzeuge für die Ultrapräzisionsbearbeitung werden im Lötverfahren hergestellt, wobei 20–100 mg Diamantpartikel auf den Stahlkörper gelötet werden. Die Festigkeit der Lötverbindung erreicht 200–250 MPa.
Polykristalliner Diamant kann durch Flammen-, Hochfrequenz- oder Vakuumlöten verarbeitet werden. Für Diamantkreissägeblätter zum Schneiden von Metall oder Stein empfiehlt sich Hochfrequenz- oder Flammenlöten. Als aktives Lötmetall auf Ag-Cu-Ti-Basis mit niedrigem Schmelzpunkt ist zu wählen. Die Löttemperatur sollte unter 850 °C liegen, die Aufheizzeit nicht zu lang sein und eine langsame Abkühlrate eingehalten werden. Polykristalline Diamantbohrkronen, die in der Erdöl- und Geologiebohrung eingesetzt werden, sind schwierigen Arbeitsbedingungen und hohen Stoßbelastungen ausgesetzt. Hierfür eignet sich ein Lötmetall auf Nickelbasis, und beim Vakuumlöten kann reine Kupferfolie als Zwischenlage verwendet werden. Beispielsweise werden 350–400 Kapseln mit einem Durchmesser von 4,5 mm in die Perforationen von 35CrMo- oder 40CrNiMo-Stahl eingelötet, um Schneidzähne zu formen. Es wird Vakuumlöten angewendet, wobei der Vakuumgrad mindestens 5 × 10⁻² Pa beträgt, die Löttemperatur 1020 ± 5 °C, die Haltezeit 20 ± 2 min und die Scherfestigkeit der Lötverbindung über 200 MPa liegt.
Beim Hartlöten soll das Eigengewicht des Schweißteils zur Montage und Positionierung genutzt werden, um den Druck des Metallteils auf das Graphit oder polykristalline Material im oberen Bereich zu maximieren. Bei Verwendung einer Positionierungsvorrichtung muss deren Material einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Schweißteil aufweisen.
Veröffentlichungsdatum: 13. Juni 2022