การเชื่อมประสานกราไฟต์และเพชรผลึกหลายเหลี่ยม

(1) ลักษณะการบัดกรี ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการบัดกรีกราไฟต์และเพชรโพลีคริสตัลไลน์นั้นคล้ายคลึงกับปัญหาที่พบในการบัดกรีเซรามิกมาก เมื่อเทียบกับโลหะแล้ว ตะกั่วบัดกรีจะเกาะติดกับวัสดุกราไฟต์และเพชรโพลีคริสตัลไลน์ได้ยาก และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุทั้งสองนั้นแตกต่างจากวัสดุโครงสร้างทั่วไปมาก เมื่อให้ความร้อนโดยตรงในอากาศ จะเกิดการออกซิเดชันหรือการเกิดคาร์บอนเมื่ออุณหภูมิเกิน 400 ℃ ดังนั้นจึงควรใช้การบัดกรีแบบสุญญากาศ และระดับสุญญากาศต้องไม่น้อยกว่า 10-1pa เนื่องจากความแข็งแรงของวัสดุทั้งสองไม่สูง หากเกิดความเครียดจากความร้อนระหว่างการบัดกรี อาจเกิดรอยแตกได้ ควรเลือกตะกั่วบัดกรีที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำและควบคุมอัตราการเย็นตัวอย่างเข้มงวด เนื่องจากพื้นผิวของวัสดุดังกล่าวไม่สามารถเปียกได้ง่ายด้วยโลหะตัวเติมประสานทั่วไป จึงสามารถเคลือบชั้นของธาตุ W, Mo และธาตุอื่นๆ ที่มีความหนา 2.5 ~ 12.5 ไมโครเมตร บนพื้นผิวของวัสดุผลึกหลายเหลี่ยมกราไฟต์และเพชรได้โดยการปรับเปลี่ยนพื้นผิว (การเคลือบสุญญากาศ การสปัตเตอร์ด้วยไอออน การพ่นพลาสมา และวิธีการอื่นๆ) ก่อนการประสาน และสร้างคาร์ไบด์ที่สอดคล้องกันกับวัสดุเหล่านั้น หรืออาจใช้โลหะตัวเติมประสานที่มีกิจกรรมสูงก็ได้

กราไฟต์และเพชรมีหลายเกรด ซึ่งแตกต่างกันในขนาดอนุภาค ความหนาแน่น ความบริสุทธิ์ และด้านอื่นๆ และมีคุณสมบัติการเชื่อมประสานที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ หากอุณหภูมิของวัสดุเพชรผลึกหลายเหลี่ยมเกิน 1000 ℃ อัตราการสึกหรอของเพชรผลึกหลายเหลี่ยมจะเริ่มลดลง และอัตราการสึกหรอจะลดลงมากกว่า 50% เมื่ออุณหภูมิเกิน 1200 ℃ ดังนั้น เมื่อทำการเชื่อมประสานเพชรในสภาวะสุญญากาศ อุณหภูมิการเชื่อมประสานจะต้องควบคุมให้ต่ำกว่า 1200 ℃ และระดับสุญญากาศต้องไม่น้อยกว่า 5 × 10⁻² Pa

(2) การเลือกโลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมประสานนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งานและการเตรียมพื้นผิวเป็นหลัก เมื่อใช้เป็นวัสดุทนความร้อน ควรเลือกโลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมประสานที่มีอุณหภูมิการเชื่อมประสานสูงและทนความร้อนได้ดี สำหรับวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อนทางเคมี ควรเลือกโลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมประสานที่มีอุณหภูมิการเชื่อมประสานต่ำและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี สำหรับกราไฟต์ที่ผ่านการปรับสภาพพื้นผิวด้วยโลหะแล้ว สามารถใช้ตะกั่วบัดกรีทองแดงบริสุทธิ์ที่มีความยืดหยุ่นสูงและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี ตะกั่วบัดกรีแบบแอคทีฟที่มีส่วนประกอบของเงินและทองแดงมีคุณสมบัติในการเปียกและไหลได้ดีกับกราไฟต์และเพชร แต่โดยทั่วไปอุณหภูมิการใช้งานของรอยเชื่อมประสานนั้นไม่เกิน 400 ℃ สำหรับชิ้นส่วนกราไฟต์และเครื่องมือเพชรที่ใช้ระหว่าง 400 ℃ ถึง 800 ℃ มักใช้โลหะตัวเติมที่มีส่วนประกอบของทองคำ แพลเลเดียม แมงกานีส หรือไทเทเนียม สำหรับรอยเชื่อมที่ใช้ระหว่าง 800 ℃ ถึง 1000 ℃ ควรใช้โลหะตัวเติมที่มีส่วนประกอบของนิกเกิลหรือโลหะตัวเติมที่มีส่วนประกอบของดอกสว่าน เมื่อใช้ส่วนประกอบกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1000 ℃ สามารถใช้โลหะตัวเติมบริสุทธิ์ (Ni, PD, Ti) หรือโลหะผสมที่มีโมลิบเดนัม, Mo, Ta และธาตุอื่นๆ ที่สามารถสร้างคาร์ไบด์กับคาร์บอนได้

สำหรับกราไฟต์หรือเพชรที่ไม่ได้ผ่านการปรับสภาพพื้นผิว สามารถใช้โลหะตัวเติมที่ใช้งานได้ตามตารางที่ 16 ในการเชื่อมประสานโดยตรง โลหะตัวเติมเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นโลหะผสมไบนารีหรือเทอร์นารีที่มีไทเทเนียมเป็นส่วนประกอบหลัก ไทเทเนียมบริสุทธิ์ทำปฏิกิริยากับกราไฟต์อย่างรุนแรง ทำให้เกิดชั้นคาร์ไบด์ที่หนามาก และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นแตกต่างจากกราไฟต์มาก ทำให้เกิดรอยแตกได้ง่าย จึงไม่สามารถใช้เป็นโลหะบัดกรีได้ การเติม Cr และ Ni ลงใน Ti สามารถลดจุดหลอมเหลวและปรับปรุงความสามารถในการเปียกกับเซรามิกได้ Ti เป็นโลหะผสมเทอร์นารีที่ประกอบด้วย Ti-Zr เป็นหลัก โดยมี TA, Nb และธาตุอื่นๆ เพิ่มเข้ามา มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่ำ ซึ่งสามารถลดความเค้นในการเชื่อมประสานได้ โลหะผสมเทอร์นารีที่ประกอบด้วย Ti-Cu เป็นหลัก เหมาะสำหรับการเชื่อมประสานกราไฟต์และเหล็ก และรอยต่อมีความต้านทานการกัดกร่อนสูง

ตารางที่ 16 โลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมประสานโดยตรงของกราไฟต์และเพชร

(3) กระบวนการบัดกรี วิธีการบัดกรีของกราไฟต์สามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ การบัดกรีหลังการเคลือบโลหะที่ผิว และการบัดกรีโดยไม่ต้องปรับสภาพผิว ไม่ว่าจะใช้วิธีใดก็ตาม ชิ้นงานเชื่อมจะต้องได้รับการปรับสภาพก่อนการประกอบ และสิ่งปนเปื้อนบนผิวของวัสดุกราไฟต์จะต้องเช็ดทำความสะอาดด้วยแอลกอฮอล์หรืออะซิโตน ในกรณีของการบัดกรีหลังการเคลือบโลหะที่ผิว จะต้องเคลือบชั้น Ni, Cu หรือชั้น Ti, Zr หรือโมลิบเดนัมไดซิลิไซด์บนผิวกราไฟต์โดยการพ่นพลาสมา จากนั้นจึงใช้โลหะตัวเติมที่มีทองแดงเป็นส่วนประกอบหรือโลหะตัวเติมที่มีเงินเป็นส่วนประกอบในการบัดกรี การบัดกรีโดยตรงด้วยบัดกรีแบบแอคทีฟเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบัน อุณหภูมิในการบัดกรีสามารถเลือกได้ตามบัดกรีที่ระบุในตารางที่ 16 สามารถหนีบบัดกรีไว้ตรงกลางของรอยต่อที่บัดกรีหรือใกล้ปลายด้านใดด้านหนึ่ง เมื่อบัดกรีด้วยโลหะที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง สามารถใช้ Mo หรือ Ti ที่มีความหนาในระดับหนึ่งเป็นชั้นบัฟเฟอร์กลางได้ ชั้นเปลี่ยนผ่านสามารถทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติกในระหว่างการให้ความร้อนในการเชื่อมประสาน ดูดซับความเครียดจากความร้อน และป้องกันการแตกร้าวของกราไฟต์ ตัวอย่างเช่น โมลิบเดนัม (Mo) ถูกใช้เป็นชั้นเปลี่ยนผ่านสำหรับการเชื่อมประสานแบบสุญญากาศของชิ้นส่วนกราไฟต์และฮาสเทลลอยน์ โดยใช้ตะกั่วบัดกรี B-pd60ni35cr5 ซึ่งทนต่อการกัดกร่อนของเกลือหลอมเหลวและรังสีได้ดี อุณหภูมิในการเชื่อมประสานคือ 1260 ℃ และคงอุณหภูมิไว้เป็นเวลา 10 นาที

เพชรธรรมชาติสามารถเชื่อมประสานโดยตรงกับ B-AG68.8CU16.7TI4.5, B-AG66CU26TI8 และโลหะบัดกรีชนิดแอคทีฟอื่นๆ การเชื่อมประสานควรทำภายใต้สภาวะสุญญากาศหรือการป้องกันด้วยอาร์กอนในปริมาณต่ำ อุณหภูมิการเชื่อมประสานไม่ควรเกิน 850 ℃ และควรเลือกอัตราการให้ความร้อนที่เร็วขึ้น ระยะเวลาการคงอุณหภูมิการเชื่อมประสานไม่ควรนานเกินไป (โดยทั่วไปประมาณ 10 วินาที) เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดชั้นแข็งต่อเนื่องที่บริเวณรอยต่อ เมื่อเชื่อมประสานเพชรและเหล็กอัลลอย ควรเพิ่มชั้นพลาสติกหรือชั้นอัลลอยที่มีการขยายตัวต่ำเพื่อการเปลี่ยนผ่าน เพื่อป้องกันความเสียหายของเม็ดเพชรที่เกิดจากความเครียดทางความร้อนที่มากเกินไป เครื่องมือกลึงหรือเครื่องมือเจาะสำหรับงานกลึงที่มีความแม่นยำสูงนั้นผลิตโดยกระบวนการเชื่อมประสาน ซึ่งจะเชื่อมประสานเพชรอนุภาคขนาดเล็ก 20-100 มิลลิกรัมลงบนตัวเหล็ก และความแข็งแรงของรอยเชื่อมประสานจะสูงถึง 200-250 MPa

เพชรผลึกหลายเหลี่ยมสามารถเชื่อมประสานได้ด้วยเปลวไฟ ความถี่สูง หรือสุญญากาศ การเชื่อมประสานด้วยความถี่สูงหรือเปลวไฟควรใช้สำหรับใบเลื่อยวงกลมเพชรที่ใช้ตัดโลหะหรือหิน ควรเลือกใช้โลหะตัวเติมเชื่อมประสานแบบแอคทีฟ Ag Cu Ti ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ อุณหภูมิการเชื่อมประสานควรควบคุมให้ต่ำกว่า 850 ℃ เวลาในการให้ความร้อนไม่ควรนานเกินไป และควรใช้อัตราการเย็นตัวที่ช้า ดอกสว่านเพชรผลึกหลายเหลี่ยมที่ใช้ในการขุดเจาะปิโตรเลียมและธรณีวิทยามีสภาพการทำงานที่ไม่ดีและต้องรับแรงกระแทกมหาศาล สามารถเลือกใช้โลหะตัวเติมเชื่อมประสานแบบนิกเกิล และใช้แผ่นฟอยล์ทองแดงบริสุทธิ์เป็นชั้นกลางสำหรับการเชื่อมประสานในสุญญากาศ ตัวอย่างเช่น เพชรผลึกหลายเหลี่ยมแบบคอลัมน์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4.5 ถึง 4.5 มม. จำนวน 350-400 แคปซูล จะถูกเชื่อมประสานลงในรูของเหล็ก 35CrMo หรือ 40CrNiMo เพื่อสร้างฟันตัด ใช้วิธีการเชื่อมประสานแบบสุญญากาศ โดยระดับสุญญากาศไม่น้อยกว่า 5 × 10⁻² Pa อุณหภูมิในการเชื่อมประสานอยู่ที่ 1020 ± 5 ℃ ระยะเวลาในการคงสภาพอยู่ที่ 20 ± 2 นาที และความแข็งแรงเฉือนของรอยเชื่อมประสานต้องมากกว่า 200 MPa

ในระหว่างการเชื่อมประสาน ควรใช้แรงกดจากน้ำหนักของชิ้นงานเชื่อมในการประกอบและจัดตำแหน่งให้มากที่สุด เพื่อให้ชิ้นส่วนโลหะกดทับวัสดุกราไฟต์หรือโพลีคริสตัลไลน์ที่ส่วนบน เมื่อใช้เครื่องมือช่วยในการจัดตำแหน่ง วัสดุของเครื่องมือช่วยนั้นควรเป็นวัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนใกล้เคียงกับชิ้นงานเชื่อม