흑연과 다이아몬드 다결정의 브레이징

(1) 브레이징 특성 흑연 및 다이아몬드 다결정 브레이징에서 발생하는 문제점은 세라믹 브레이징에서 발생하는 문제점과 매우 유사합니다. 금속과 비교했을 때, 솔더는 흑연 및 다이아몬드 다결정 재료에 쉽게 젖지 않으며, 열팽창 계수는 일반 구조재와 매우 다릅니다. 두 재료는 공기 중에서 직접 가열되므로 400℃를 초과하면 산화 또는 탄화가 발생합니다. 따라서 진공 브레이징을 채택해야 하며, 진공도는 10-1pa 이상이어야 합니다. 두 재료 모두 강도가 높지 않기 때문에 브레이징 중 열응력이 가해지면 균열이 발생할 수 있습니다. 열팽창 계수가 낮은 브레이징 용가재를 선택하고 냉각 속도를 엄격하게 제어하는 ​​것이 좋습니다. 이러한 재료의 표면은 일반적인 브레이징 필러 금속으로는 쉽게 젖지 않기 때문에 브레이징하기 전에 표면 개질(진공 코팅, 이온 스퍼터링, 플라즈마 분무 및 기타 방법)을 통해 흑연 및 다이아몬드 다결정 재료 표면에 2.5~12.5um 두께의 W, Mo 및 기타 원소 층을 증착하여 해당 탄화물을 형성하거나 활성이 높은 브레이징 필러 금속을 사용할 수 있습니다.

흑연과 다이아몬드는 입자 크기, 밀도, 순도 등 여러 측면에서 서로 다른 등급을 가지고 있으며, 브레이징 특성도 서로 다릅니다. 또한, 다결정 다이아몬드 소재의 온도가 1000℃를 초과하면 다결정 마모율이 감소하기 시작하고, 1200℃를 초과하면 마모율이 50% 이상 감소합니다. 따라서 다이아몬드를 진공 브레이징할 경우, 브레이징 온도는 1200℃ 이하로 조절해야 하며, 진공도는 5 × 10-2Pa 이상이어야 합니다.

(2) 브레이징 용가재의 선택은 주로 용도 및 표면 처리에 따라 결정됩니다. 내열재로 사용하는 경우 브레이징 온도가 높고 내열성이 우수한 브레이징 용가재를 선택해야 합니다. 내화학성 재료의 경우 브레이징 온도가 낮고 내식성이 우수한 브레이징 용가재를 선택해야 합니다. 표면 금속화 처리 후 흑연의 경우 연성이 높고 내식성이 우수한 순수 구리 솔더를 사용할 수 있습니다. 은계 및 구리계 활성 솔더는 흑연 및 다이아몬드에 대한 젖음성과 유동성이 좋지만 브레이징 접합부의 사용 온도는 400℃를 초과하기 어렵습니다. 400℃~800℃에서 사용되는 흑연 부품 및 다이아몬드 공구의 경우 일반적으로 금계, 팔라듐계, 망간계 또는 티타늄계 용가재를 사용합니다. 800℃~1000℃에서 사용되는 접합부의 경우 니켈계 또는 드릴계 용가재를 사용해야 합니다. 흑연 부품을 1000℃ 이상에서 사용하는 경우 순수한 금속 필러 금속(Ni, PD, Ti)이나 몰리브덴, Mo, Ta 및 탄소와 탄화물을 형성할 수 있는 다른 원소를 함유한 합금 필러 금속을 사용할 수 있습니다.

표면 처리되지 않은 흑연이나 다이아몬드의 경우, 표 16의 활성 필러 금속은 직접 브레이징에 사용할 수 있습니다. 이러한 필러 금속의 대부분은 티타늄 기반 2원 또는 3원 합금입니다. 순수한 티타늄은 흑연과 강하게 반응하여 매우 두꺼운 탄화물 층을 형성할 수 있으며 선팽창 계수는 균열이 발생하기 쉬운 흑연과 상당히 다르므로 솔더로 사용할 수 없습니다. Ti에 Cr과 Ni를 첨가하면 녹는점을 낮추고 세라믹과의 젖음성을 향상시킬 수 있습니다. Ti는 주로 Ti Zr로 구성되고 TA, Nb 및 기타 원소가 첨가된 3원 합금입니다. 선팽창 계수가 낮아 브레이징 응력을 줄일 수 있습니다. 주로 Ti Cu로 구성된 3원 합금은 흑연과 강의 브레이징에 적합하며 접합부는 높은 내식성을 갖습니다.

표 16 흑연과 다이아몬드의 직접 브레이징을 위한 브레이징 필러 금속

(3) 브레이징 공정 흑연의 브레이징 방법은 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 표면 금속화 후 브레이징이고 다른 하나는 표면 처리 없이 브레이징하는 것입니다. 어떤 방법을 사용하든 용접부는 조립 전에 전처리해야 하며 흑연 재료의 표면 오염물은 알코올이나 아세톤으로 깨끗이 닦아야 합니다. 표면 금속화 브레이징의 경우, 플라즈마 용사로 흑연 표면에 Ni, Cu 층 또는 Ti, Zr 또는 몰리브덴 디실리사이드 층을 도금한 다음 구리 기반 필러 금속 또는 은 기반 필러 금속을 브레이징에 사용합니다. 활성 솔더를 사용한 직접 브레이징은 현재 가장 널리 사용되는 방법입니다. 브레이징 온도는 표 16에 제공된 솔더에 따라 선택할 수 있습니다. 솔더는 브레이징된 조인트의 중앙이나 한쪽 끝 근처에 고정할 수 있습니다. 열팽창 계수가 큰 금속으로 브레이징하는 경우 일정 두께의 Mo 또는 Ti를 중간 버퍼층으로 사용할 수 있습니다. 전이층은 브레이징 가열 시 소성 변형을 일으키고, 열응력을 흡수하며, 흑연 균열을 방지할 수 있습니다. 예를 들어, Mo는 흑연 및 하스텔로인 부품의 진공 브레이징 시 전이 접합부로 사용됩니다. 용융염 부식 및 방사선 내성이 우수한 B-pd60ni35cr5 솔더가 사용됩니다. 브레이징 온도는 1260℃이며, 10분간 유지됩니다.

천연 다이아몬드는 b-ag68.8cu16.7ti4.5, b-ag66cu26ti8 및 기타 활성 솔더와 직접 브레이징할 수 있습니다. 브레이징은 진공 또는 저아르곤 환경에서 수행해야 합니다. 브레이징 온도는 850℃를 초과해서는 안 되며, 더 빠른 가열 속도를 선택해야 합니다. 브레이징 온도 유지 시간은 계면에 연속적인 티크층이 형성되지 않도록 너무 길어서는 안 됩니다(일반적으로 약 10초). 다이아몬드와 합금강을 브레이징할 경우, 과도한 열응력으로 인한 다이아몬드 입자 손상을 방지하기 위해 플라스틱 중간층 또는 저팽창 합금층을 추가하여 전이를 방지해야 합니다. 초정밀 가공용 선삭 공구 또는 보링 공구는 브레이징 공정으로 제작되며, 20~100mg의 미세 입자 다이아몬드를 강재에 브레이징하여 브레이징 접합부의 접합 강도를 200~250MPa에 이릅니다.

다결정 다이아몬드는 화염, 고주파 또는 진공 브레이징이 가능합니다. 다이아몬드 원형 톱날의 금속이나 석재 절단에는 고주파 브레이징 또는 화염 브레이징을 사용해야 합니다. 융점이 낮은 Ag Cu Ti 활성 브레이징 용가재를 선택해야 합니다. 브레이징 온도는 850℃ 이하로 유지해야 하며, 가열 시간은 너무 길지 않아야 하고, 냉각 속도는 느려야 합니다. 석유 및 지질 시추에 사용되는 다결정 다이아몬드 비트는 작업 조건이 열악하고 큰 충격 하중을 견뎌야 합니다. 니켈 기반 브레이징 용가재를 선택할 수 있으며, 순수 구리 호일을 진공 브레이징용 중간층으로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 350~400개의 캡슐형 Ф 4.5~4.5mm 원주형 다결정 다이아몬드를 35CrMo 또는 40CrNiMo 강의 천공에 브레이징하여 절삭날을 형성합니다. 진공 브레이징을 채택하고 진공도는 5×10-2Pa 이상, 브레이징 온도는 1020±5℃, 유지시간은 20±2min, 브레이징 접합부의 전단강도는 200mpa 이상이다.

브레이징 작업 시에는 용접부의 자중을 최대한 활용하여 금속 부분이 상부의 흑연 또는 다결정 재료를 누르도록 조립 및 위치 조정을 해야 합니다. 위치 조정을 위해 고정구를 사용할 경우, 고정구 재료는 용접부와 열팽창 계수가 유사한 재료를 사용해야 합니다.