Brasagem de grafite e diamante policristalino

(1) As características da brasagem e os problemas envolvidos na brasagem de grafite e diamante policristalino são muito semelhantes aos encontrados na brasagem de cerâmica. Comparado com o metal, a solda tem dificuldade em aderir a materiais policristalinos como grafite e diamante, e seu coeficiente de expansão térmica é muito diferente do de materiais estruturais em geral. Ambos são aquecidos diretamente ao ar, e a oxidação ou carbonização ocorrerá quando a temperatura exceder 400 °C. Portanto, a brasagem a vácuo deve ser adotada, e o grau de vácuo não deve ser inferior a 10⁻¹ Pa. Como a resistência de ambos não é alta, se houver tensão térmica durante a brasagem, podem ocorrer trincas. Procure selecionar um metal de adição para brasagem com baixo coeficiente de expansão térmica e controle rigorosamente a taxa de resfriamento. Como a superfície desses materiais não é facilmente umedecida por metais de adição de brasagem comuns, uma camada de 2,5 a 12,5 µm de espessura de W, Mo e outros elementos pode ser depositada na superfície de materiais policristalinos de grafite e diamante por meio de modificação superficial (revestimento a vácuo, pulverização iônica, aspersão por plasma e outros métodos) antes da brasagem, formando carbonetos correspondentes, ou metais de adição de brasagem de alta atividade podem ser usados.

O grafite e o diamante possuem diversas granulometrias, que diferem em tamanho de partícula, densidade, pureza e outros aspectos, apresentando diferentes características de brasagem. Além disso, se a temperatura do diamante policristalino ultrapassar 1000 °C, a taxa de desgaste começa a diminuir, e essa redução chega a mais de 50% quando a temperatura ultrapassa 1200 °C. Portanto, na brasagem a vácuo de diamante, a temperatura de brasagem deve ser controlada abaixo de 1200 °C e o grau de vácuo não deve ser inferior a 5 × 10⁻² Pa.

(2) A escolha do metal de adição para brasagem baseia-se principalmente na aplicação e no processamento da superfície. Quando utilizado como material resistente ao calor, deve-se selecionar o metal de adição para brasagem com alta temperatura de brasagem e boa resistência térmica; para materiais resistentes à corrosão química, devem ser selecionados metais de adição para brasagem com baixa temperatura de brasagem e boa resistência à corrosão. Para grafite após tratamento de metalização superficial, pode-se utilizar solda de cobre puro com alta ductilidade e boa resistência à corrosão. Soldas ativas à base de prata e à base de cobre apresentam boa molhabilidade e fluidez em relação à grafite e ao diamante, mas a temperatura de serviço da junta brasada dificilmente ultrapassa 400 °C. Para componentes de grafite e ferramentas diamantadas utilizadas entre 400 °C e 800 °C, geralmente são utilizados metais de adição à base de ouro, paládio, manganês ou titânio. Para juntas utilizadas entre 800 °C e 1000 °C, devem ser utilizados metais de adição à base de níquel ou à base de broca. Quando componentes de grafite são usados ​​acima de 1000 ℃, metais de enchimento puros (Ni, Pd, Ti) ou ligas metálicas contendo molibdênio, Mo, Ta e outros elementos que podem formar carbonetos com o carbono podem ser utilizados.

Para grafite ou diamante sem tratamento superficial, os metais de adição ativos da tabela 16 podem ser usados ​​para brasagem direta. A maioria desses metais de adição são ligas binárias ou ternárias à base de titânio. O titânio puro reage fortemente com a grafite, podendo formar uma camada de carboneto muito espessa, e seu coeficiente de expansão linear é bastante diferente do da grafite, o que facilita a formação de trincas, portanto, não pode ser usado como solda. A adição de Cr e Ni ao Ti pode reduzir o ponto de fusão e melhorar a molhabilidade com cerâmicas. O Ti é uma liga ternária, composta principalmente de TiZr, com adição de Ta, Nb e outros elementos. Possui um baixo coeficiente de expansão linear, o que pode reduzir a tensão de brasagem. A liga ternária composta principalmente de TiCu é adequada para a brasagem de grafite e aço, e a junta apresenta alta resistência à corrosão.

Tabela 16: Metais de adição para brasagem direta de grafite e diamante

(3) Processo de brasagem: os métodos de brasagem de grafite podem ser divididos em duas categorias: brasagem após metalização da superfície e brasagem sem tratamento superficial. Independentemente do método utilizado, a solda deve ser pré-tratada antes da montagem, e os contaminantes da superfície do material de grafite devem ser removidos com álcool ou acetona. No caso da brasagem com metalização da superfície, uma camada de Ni, Cu ou uma camada de Ti, Zr ou dissiliceto de molibdênio deve ser depositada na superfície da grafite por aspersão a plasma, e então um metal de adição à base de cobre ou prata deve ser utilizado para a brasagem. A brasagem direta com solda ativa é o método mais utilizado atualmente. A temperatura de brasagem pode ser selecionada de acordo com a solda fornecida na tabela 16. A solda pode ser aplicada no meio da junta brasada ou próxima a uma das extremidades. Ao brasagem com um metal com alto coeficiente de expansão térmica, Mo ou Ti com uma determinada espessura podem ser utilizados como camada intermediária de amortecimento. A camada de transição pode produzir deformação plástica durante o aquecimento da brasagem, absorver a tensão térmica e evitar o trincamento do grafite. Por exemplo, o Mo é usado como junta de transição para brasagem a vácuo de componentes de grafite e Hastelloyn. Utiliza-se solda B-PD60Ni35Cr5 com boa resistência à corrosão por sais fundidos e à radiação. A temperatura de brasagem é de 1260 °C e mantida por 10 minutos.

O diamante natural pode ser brasado diretamente com ligas ativas como B-AG68.8CU16.7Ti4.5, B-AG66CU26Ti8 e outras. A brasagem deve ser realizada sob vácuo ou atmosfera de argônio. A temperatura de brasagem não deve exceder 850 °C, e uma taxa de aquecimento mais rápida deve ser selecionada. O tempo de permanência na temperatura de brasagem não deve ser muito longo (geralmente cerca de 10 s) para evitar a formação de uma camada fina contínua na interface. Ao brasagem de diamante e aço-liga, uma camada intermediária de plástico ou liga de baixa expansão deve ser adicionada para transição, a fim de evitar danos aos grãos de diamante causados ​​por estresse térmico excessivo. Ferramentas de torneamento ou mandrilamento para usinagem de ultraprecisão são fabricadas por meio de brasagem, na qual partículas de diamante de 20 a 100 mg são brasadas em um corpo de aço, e a resistência da junta brasada atinge 200 a 250 MPa.

O diamante policristalino pode ser brasado por chama, alta frequência ou vácuo. A brasagem por alta frequência ou por chama deve ser adotada para lâminas de serra circular diamantadas que cortam metal ou pedra. Deve-se selecionar um metal de adição de brasagem ativo de AgCuTi com baixo ponto de fusão. A temperatura de brasagem deve ser controlada abaixo de 850 °C, o tempo de aquecimento não deve ser muito longo e uma taxa de resfriamento lenta deve ser adotada. Brocas de diamante policristalino usadas em perfuração de petróleo e geológica apresentam condições de trabalho adversas e suportam enormes cargas de impacto. Pode-se selecionar um metal de adição de brasagem à base de níquel e uma folha de cobre puro pode ser usada como camada intermediária para brasagem a vácuo. Por exemplo, 350 a 400 cápsulas de diamante policristalino colunar de Ф 4,5 a 4,5 mm são brasadas nas perfurações de aço 35CrMo ou 40CrNiMo para formar dentes de corte. A brasagem a vácuo é adotada, com um grau de vácuo não inferior a 5 × 10⁻² Pa, temperatura de brasagem de 1020 ± 5 °C, tempo de manutenção de 20 ± 2 min e resistência ao cisalhamento da junta brasada superior a 200 MPa.

Durante a brasagem, o próprio peso da peça soldada deve ser utilizado para montagem e posicionamento, tanto quanto possível, de modo que a parte metálica pressione o grafite ou o material policristalino na parte superior. Ao utilizar um dispositivo de fixação para posicionamento, o material do dispositivo deve ter um coeficiente de expansão térmica semelhante ao da peça soldada.