لحام الجرافيت والماس متعدد البلورات

(1) خصائص اللحام: تتشابه المشاكل المصاحبة للحام الجرافيتي والماس متعدد البلورات إلى حد كبير مع تلك التي تُصادف في لحام السيراميك. فمقارنةً بالمعادن، يصعب على مادة اللحام ترطيب الجرافيت والماس متعدد البلورات، كما أن معامل تمددهما الحراري يختلف اختلافًا كبيرًا عن معامل تمدد المواد الإنشائية العامة. يتم تسخين كليهما مباشرةً في الهواء، مما يؤدي إلى حدوث أكسدة أو تفحم عند تجاوز درجة الحرارة 400 درجة مئوية. لذلك، يُنصح باستخدام اللحام الفراغي، ويجب ألا تقل درجة الفراغ عن 10⁻¹ باسكال. ونظرًا لضعف كليهما، فقد تحدث تشققات في حال وجود إجهاد حراري أثناء اللحام. لذا، يُنصح باختيار معدن حشو ذي معامل تمدد حراري منخفض والتحكم بدقة في معدل التبريد. بما أن سطح هذه المواد ليس من السهل ترطيبه بواسطة معادن الحشو العادية المستخدمة في اللحام، فإنه يمكن ترسيب طبقة من W و Mo وعناصر أخرى بسمك 2.5 ~ 12.5 ميكرومتر على سطح المواد متعددة البلورات من الجرافيت والماس عن طريق تعديل السطح (الطلاء الفراغي، والرش الأيوني، والرش البلازمي، وغيرها من الطرق) قبل اللحام وتشكيل الكربيدات المقابلة معها، أو يمكن استخدام معادن حشو عالية النشاط.

تتعدد درجات الجرافيت والماس، وتختلف هذه الدرجات في حجم الجسيمات والكثافة والنقاء وغيرها من الخصائص، مما يؤدي إلى اختلاف خصائص اللحام. إضافةً إلى ذلك، إذا تجاوزت درجة حرارة الماس متعدد البلورات 1000 درجة مئوية، يبدأ معدل تآكله بالتناقص، وينخفض ​​هذا المعدل بأكثر من 50% عند تجاوز درجة الحرارة 1200 درجة مئوية. لذا، عند لحام الماس بالتفريغ، يجب ضبط درجة حرارة اللحام بحيث لا تتجاوز 1200 درجة مئوية، ويجب ألا يقل مستوى التفريغ عن 5 × 10⁻² باسكال.

(2) يعتمد اختيار معدن اللحام بشكل أساسي على الاستخدام ومعالجة السطح. عند استخدامه كمادة مقاومة للحرارة، يُختار معدن لحام ذو درجة حرارة لحام عالية ومقاومة جيدة للحرارة. أما بالنسبة للمواد المقاومة للتآكل الكيميائي، فيُختار معدن لحام ذو درجة حرارة لحام منخفضة ومقاومة جيدة للتآكل. بالنسبة للجرافيت بعد معالجة سطحه بالمعدن، يمكن استخدام لحام نحاسي نقي ذو ليونة عالية ومقاومة جيدة للتآكل. يتميز اللحام النشط ذو الأساس الفضي والنحاسي بقابلية ترطيب وسيولة جيدة للجرافيت والماس، ولكن من الصعب أن تتجاوز درجة حرارة تشغيل الوصلة الملحومة 400 درجة مئوية. بالنسبة لمكونات الجرافيت وأدوات الماس المستخدمة بين 400 و800 درجة مئوية، تُستخدم عادةً معادن لحام ذات أساس ذهبي أو بلاديوم أو منغنيز أو تيتانيوم. أما بالنسبة للوصلات المستخدمة بين 800 و1000 درجة مئوية، فيُستخدم معدن لحام ذو أساس نيكل أو أساس مثقاب. عند استخدام مكونات الجرافيت فوق 1000 درجة مئوية، يمكن استخدام معادن الحشو المعدنية النقية (النيكل، والبولي بارابين، والتيتانيوم) أو معادن الحشو المصنوعة من السبائك والتي تحتوي على الموليبدينوم، والموليبدينوم، والتنتالوم، وعناصر أخرى يمكن أن تشكل كربيدات مع الكربون.

بالنسبة للجرافيت أو الماس غير المعالج سطحيًا، يمكن استخدام معادن الحشو النشطة المذكورة في الجدول 16 للحام المباشر. معظم هذه المعادن عبارة عن سبائك ثنائية أو ثلاثية أساسها التيتانيوم. يتفاعل التيتانيوم النقي بشدة مع الجرافيت، مما قد يُشكّل طبقة سميكة جدًا من الكربيد، كما أن معامل تمدده الخطي يختلف تمامًا عن معامل تمدد الجرافيت، مما يجعله عرضة للتشقق، لذا لا يُمكن استخدامه كمادة لحام. يُمكن إضافة الكروم والنيكل إلى التيتانيوم لخفض درجة انصهاره وتحسين قابليته للترطيب بالسيراميك. التيتانيوم عبارة عن سبيكة ثلاثية، تتكون أساسًا من التيتانيوم والزركونيوم، مع إضافة التنتالوم والنيوبيوم وعناصر أخرى. يتميز بمعامل تمدد خطي منخفض، مما يُقلل من إجهاد اللحام. السبيكة الثلاثية المكونة أساسًا من التيتانيوم والنحاس مناسبة للحام الجرافيت والفولاذ، وتتميز الوصلة الناتجة بمقاومة عالية للتآكل.

الجدول 16: معادن الحشو المستخدمة في اللحام المباشر للجرافيت والماس

(3) عملية اللحام بالنحاس: يمكن تقسيم طرق لحام الجرافيت إلى فئتين، الأولى هي اللحام بعد التمعدن السطحي، والثانية هي اللحام بدون معالجة سطحية. بغض النظر عن الطريقة المستخدمة، يجب معالجة اللحام مسبقًا قبل التجميع، وتنظيف ملوثات سطح الجرافيت بالكحول أو الأسيتون. في حالة اللحام بالتمعدن السطحي، تُطلى طبقة من النيكل أو النحاس أو التيتانيوم أو الزركونيوم أو ثاني سيليسيد الموليبدينوم على سطح الجرافيت بالرش البلازمي، ثم يُستخدم معدن حشو نحاسي أو فضي للحام. يُعد اللحام المباشر باستخدام لحام نشط الطريقة الأكثر شيوعًا حاليًا. يمكن اختيار درجة حرارة اللحام وفقًا لنوع اللحام المذكور في الجدول 16. يمكن تثبيت اللحام في منتصف وصلة اللحام أو بالقرب من أحد طرفيها. عند اللحام بمعدن ذي معامل تمدد حراري كبير، يمكن استخدام الموليبدينوم أو التيتانيوم بسماكة معينة كطبقة عازلة وسيطة. تُساهم الطبقة الانتقالية في إحداث تشوه لدن أثناء التسخين أثناء عملية اللحام، وامتصاص الإجهاد الحراري، ومنع تشقق الجرافيت. على سبيل المثال، يُستخدم الموليبدينوم كطبقة انتقالية في اللحام الفراغي لمكونات الجرافيت والهاستيلوين. ويُستخدم لحام B-pd60ni35cr5 ذو مقاومة جيدة للتآكل الناتج عن الأملاح المنصهرة والإشعاع. تبلغ درجة حرارة اللحام 1260 درجة مئوية، وتُحافظ عليها لمدة 10 دقائق.

يمكن لحام الماس الطبيعي مباشرةً باستخدام مواد لحام فعالة مثل b-ag68.8cu16.7ti4.5 و b-ag66cu26ti8 وغيرها. يجب إجراء عملية اللحام تحت فراغ أو باستخدام غاز الأرجون بجرعة منخفضة. ينبغي ألا تتجاوز درجة حرارة اللحام 850 درجة مئوية، مع اختيار معدل تسخين سريع. يجب ألا تطول مدة تثبيت درجة حرارة اللحام (عادةً حوالي 10 ثوانٍ) لتجنب تكوّن طبقة سيليكات متصلة عند السطح الفاصل. عند لحام الماس والفولاذ السبائكي، يُنصح بإضافة طبقة وسيطة بلاستيكية أو طبقة من سبيكة منخفضة التمدد الحراري عند نقطة الانتقال لمنع تلف حبيبات الماس الناتج عن الإجهاد الحراري الزائد. تُصنع أدوات الخراطة أو أدوات الحفر المستخدمة في عمليات التشغيل فائقة الدقة باستخدام عملية اللحام، حيث يتم لحام 20 إلى 100 ملغ من جزيئات الماس الصغيرة على جسم الفولاذ، وتصل قوة وصلة اللحام إلى 200 إلى 250 ميجا باسكال.

يمكن لحام الماس متعدد البلورات باستخدام اللهب أو التردد العالي أو الفراغ. يُفضل استخدام اللحام بالتردد العالي أو اللحام باللهب لقطع المعادن أو الأحجار باستخدام شفرات منشار دائري ماسي. يجب اختيار معدن حشو لحام نشط من الفضة والنحاس والتيتانيوم ذي نقطة انصهار منخفضة. يجب ضبط درجة حرارة اللحام بحيث لا تتجاوز 850 درجة مئوية، مع مراعاة عدم إطالة مدة التسخين، واعتماد معدل تبريد بطيء. تتعرض رؤوس الحفر الماسية متعددة البلورات المستخدمة في حفر آبار النفط والحفر الجيولوجي لظروف تشغيل قاسية وأحمال صدمية هائلة. يمكن استخدام معدن حشو لحام أساسه النيكل، كما يمكن استخدام رقائق النحاس النقي كطبقة وسيطة في اللحام الفراغي. على سبيل المثال، يتم لحام 350 إلى 400 كبسولة من الماس متعدد البلورات العمودي بقطر 4.5 مم في ثقوب فولاذ 35CrMo أو 40CrNiMo لتشكيل أسنان القطع. يتم استخدام اللحام بالتفريغ، ودرجة التفريغ لا تقل عن 5 × 10⁻² باسكال، ودرجة حرارة اللحام 1020 ± 5 درجة مئوية، ووقت التثبيت 20 ± 2 دقيقة، وقوة القص لوصلة اللحام أكبر من 200 ميجا باسكال.

أثناء عملية اللحام، يُستعان بوزن القطعة الملحومة لتجميعها وتحديد موضعها قدر الإمكان، وذلك لضغط الجزء المعدني على الجرافيت أو المادة متعددة البلورات في الجزء العلوي. عند استخدام أداة التثبيت لتحديد الموضع، يجب أن تكون مادة أداة التثبيت ذات معامل تمدد حراري مماثل لمعامل تمدد القطعة الملحومة.