لحام المعادن المقاومة للحرارة

1. لحام

يمكن استخدام جميع أنواع اللحام التي تقل درجة حرارتها عن 3000 درجة مئوية في لحام التنجستن، بينما يمكن استخدام اللحام النحاسي أو الفضي للمكونات التي تقل درجة حرارتها عن 400 درجة مئوية. أما بالنسبة للمكونات التي تعمل في درجات حرارة تتراوح بين 400 و900 درجة مئوية، فيُستخدم عادةً لحام الذهب أو المنغنيز أو البلاديوم أو المعادن المستخدمة في الحفر. أما بالنسبة للمكونات التي تعمل في درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية، فيُستخدم في الغالب معادن نقية مثل النيوبيوم والتنتالوم والنيكل والبلاتين والبلاتين والموليبدينوم. وقد وصلت درجة حرارة تشغيل المكونات الملحومة بلحام أساسه البلاتين إلى 2150 درجة مئوية. وفي حال إجراء معالجة الانتشار عند 1080 درجة مئوية بعد اللحام، يمكن أن تصل درجة حرارة التشغيل القصوى إلى 3038 درجة مئوية.

يمكن استخدام معظم أنواع اللحام المستخدمة في اللحام بالنحاس في لحام الموليبدينوم، كما يمكن استخدام اللحام النحاسي أو الفضي لمكونات الموليبدينوم التي تعمل عند درجات حرارة أقل من 400 درجة مئوية. أما بالنسبة للأجهزة الإلكترونية والأجزاء غير الهيكلية التي تعمل عند درجات حرارة تتراوح بين 400 و650 درجة مئوية، فيمكن استخدام لحام النحاس والفضة، أو الذهب والنيكل، أو النيكل المطلي بالبلاتين، أو النحاس والنيكل. ويمكن استخدام معادن الحشو المصنوعة من التيتانيوم أو معادن حشو أخرى نقية ذات نقاط انصهار عالية للمكونات التي تعمل عند درجات حرارة أعلى. تجدر الإشارة إلى أنه لا يُنصح عمومًا باستخدام معادن الحشو المصنوعة من المنغنيز أو الكوبالت أو النيكل لتجنب تكوّن مركبات بين فلزية هشة في وصلات اللحام.

عند استخدام مكونات من التنتالوم أو النيوبيوم عند درجات حرارة أقل من 1000 درجة مئوية، يمكن اختيار مواد حشو من النحاس، أو المنغنيز، أو الكوبالت، أو التيتانيوم، أو النيكل، أو الذهب، أو البلاديوم، بما في ذلك CuAu، وAuNi، وPDNi، وPtAuNi، وCuSn، حيث تتميز هذه المواد بقابلية ترطيب جيدة مع التنتالوم والنيوبيوم، وتكوين لحام قوي، وقوة وصلة عالية. ونظرًا لأن معادن الحشو الفضية تميل إلى جعل معادن اللحام هشة، فينبغي تجنبها قدر الإمكان. أما بالنسبة للمكونات المستخدمة بين 1000 و1300 درجة مئوية، فينبغي اختيار معادن نقية مثل التيتانيوم، أو الفاناديوم، أو الزركونيوم، أو سبائك منها تُكوّن معها حالة صلبة وسائلة لا نهائية. وعند درجات حرارة تشغيل أعلى، يمكن اختيار معدن حشو يحتوي على فلوريد الهيدروجين.

انظر الجدول 13 لمعرفة معادن الحشو المستخدمة في اللحام بالنحاس لعناصر الموليبدينوم والتنتالوم والنيوبيوم عند درجات الحرارة العالية.

الجدول 13: معادن الحشو المستخدمة في لحام المعادن المقاومة للحرارة العالية

2. تقنية اللحام بالنحاس

قبل عملية اللحام، يجب إزالة طبقة الأكسيد بعناية من سطح المعدن المقاوم للحرارة. يمكن استخدام طرق مثل التجليخ الميكانيكي، أو السفع الرملي، أو التنظيف بالموجات فوق الصوتية، أو التنظيف الكيميائي. يجب إجراء عملية اللحام مباشرة بعد التنظيف.

نظراً لهشاشة التنجستن، يجب التعامل مع أجزائه بحرص شديد أثناء عملية تجميع المكونات لتجنب الكسر. ولمنع تكوّن كربيد التنجستن الهش، ينبغي تجنب التلامس المباشر بين التنجستن والجرافيت. كما يجب إزالة الإجهاد المسبق الناتج عن عمليات ما قبل اللحام أو اللحام نفسه قبل البدء بعملية اللحام. يتأكسد التنجستن بسهولة عند ارتفاع درجة الحرارة، لذا يجب أن تكون درجة الفراغ عالية بما يكفي أثناء عملية اللحام بالنحاس. عند إجراء اللحام بالنحاس ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح بين 1000 و1400 درجة مئوية، يجب ألا تقل درجة الفراغ عن 8 × 10⁻³ باسكال. ولتحسين درجة حرارة إعادة الانصهار ودرجة حرارة التشغيل للوصلة، يمكن دمج عملية اللحام بالنحاس مع معالجة الانتشار بعد اللحام. على سبيل المثال، يُستخدم لحام B-Ni68Cr20Si10Fel للحام التنجستن بالنحاس عند درجة حرارة 1180 درجة مئوية. بعد ثلاث معالجات انتشارية عند 1070 درجة مئوية / 4 ساعات، و 1200 درجة مئوية / 3.5 ساعات و 1300 درجة مئوية / 2 ساعات بعد اللحام، يمكن أن تصل درجة حرارة التشغيل للوصلة الملحومة إلى أكثر من 2200 درجة مئوية.

يجب مراعاة معامل التمدد الحراري المنخفض عند تجميع وصلة اللحام بالموليبدينوم، وينبغي أن تكون فجوة الوصلة ضمن نطاق 0.05 إلى 0.13 مم. في حال استخدام أداة تثبيت، يُنصح باختيار مادة ذات معامل تمدد حراري منخفض. تحدث إعادة تبلور الموليبدينوم عندما تتجاوز درجة حرارة اللحام باللهب، أو في أفران التحكم في الغلاف الجوي، أو أفران التفريغ، أو أفران الحث، أو التسخين المقاوم، درجة حرارة إعادة التبلور، أو عندما تنخفض درجة حرارة إعادة التبلور نتيجة انتشار عناصر اللحام. لذلك، كلما كانت درجة حرارة اللحام قريبة من درجة حرارة إعادة التبلور، كان ذلك أفضل كلما قصر وقت اللحام. عند اللحام فوق درجة حرارة إعادة تبلور الموليبدينوم، يجب التحكم في وقت اللحام ومعدل التبريد لتجنب التشققات الناتجة عن التبريد السريع جدًا. عند استخدام اللحام باللهب الأوكسي أسيتيليني، يُفضل استخدام خليط من التدفقات، أي تدفق لحام البورات الصناعي أو الفضة بالإضافة إلى تدفق عالي الحرارة يحتوي على فلوريد الكالسيوم، مما يوفر حماية جيدة. تعتمد الطريقة على طلاء سطح الموليبدينوم أولاً بطبقة من مادة اللحام الفضية، ثم طلاءه بمادة لحام عالية الحرارة. تتميز مادة اللحام الفضية بنشاطها في نطاق درجات حرارة منخفضة، بينما تصل درجة حرارة التشغيل للمادة عالية الحرارة إلى 1427 درجة مئوية.

يُفضّل لحام مكونات TA أو Nb تحت فراغ، على ألا يقل مستوى الفراغ عن 1.33 × 10⁻² باسكال. في حال إجراء اللحام تحت غطاء من الغاز الخامل، يجب إزالة الشوائب الغازية مثل أول أكسيد الكربون والأمونيا والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون بدقة. عند إجراء اللحام أو اللحام المقاوم في الهواء، يجب استخدام معدن حشو خاص ومادة مساعدة مناسبة. ولمنع TA أو Nb من ملامسة الأكسجين عند درجات الحرارة العالية، يمكن طلاء السطح بطبقة من النحاس أو النيكل المعدني، ثم إجراء معالجة التلدين الانتشارية المناسبة.