Философы считают, что цивилизации двигает вперед мечта. В желаниях ее воплощения рождаются идеи, для их воплощения придумывается нечто новое и рождается невероятное. Иногда такой творческий процесс созидания упирается в старую, как мир, проблему — совместить несовместимое. Применительно к высокотемпературной пайке сверхтвёрдых материалов, эта парадоксальность возникает при осмыслении условий, которые надо соблюсти, чтобы изготовить твердосплавный или композитный инструмент, и чтобы он решал поставленные задачи, был приемлемо долговечен и допустимо дорог. Например, чем и главное, как можно припаять к металлу алмаз, чтобы сохранить свойства последнего, если для реализации технологии нужны тысячеградусные температуры? Оказывается, что можно. И не только алмаз, и не только к металлу.
Пайка алмазов
В некоторых промышленных производствах используют режуще-абразивный инструмент сложных форм. Это и камнеобработка, где с помощью фасонных роликовых фрез изготавливают элементы лестниц, столешниц, карнизов; это машиностроение, для которого предназначены корундовые абразивные круги, чьи сложные профили получаются прокаткой алмазными фасонными роликами. Если говорить точно, в производстве инструмента, который именуют алмазным, используется алмазный порошок. Он состоит из синтетически выращенных кристаллы твёрдофазного углерода с размером в 400-600 микрон. Преимущество искусственного алмаза не только в относительной дешевизне, но и в одинаковости условий его рождения, чего не бывает в природе, что даёт однообразие характеристик кристаллов.
Этот порошок надо соединить с металлическим телом инструмента, а сам по себе камень к нему не закрепится. Соединяющим звеном выступает металлическая же связка, образующая на режущей поверхности алмазосодержащий слой. Характеристики такого слоя достаточно противоречивы и должны обеспечивать в достаточной мере и одновременно:
- прочность, позволяющую долговременно сопротивляться, не разрушаясь, нагрузкам;
- термостойкость, выдерживающую температуры резания;
- пластичность, чтобы истираясь, давать возможность алмазам вступать в соприкосновение с обрабатываемым материалом.
Широко применяемой технологий создания таких фасонных алмазных инструментов является пайка твёрдыми припоями в среде вакуума. Припоем в этом процессе служат сплавы, содержащие марганец, хром, кремний, титан, алюминий. Чтобы обеспечить полное покрытие сложных форм инструмента, припой наносится или в виде аморфного листа, либо суспензии. И так как перечисленные выше элементы относятся к классу карбидообразующих, то происходит химическое взаимодействие расплава припоя с гранулами алмазных кристаллов с одной стороны, и надежная адгезия к телу инструмента с другой. Пайка происходит при температуре порядка 1100°С, и если бы не вакуум, была бы невозможна, т.к. алмаз начинает гореть в присутствии кислорода воздуха в диапазоне 850÷1000°С. Невысокая вязкость твёрдых припоев с использованием Mn, Cr, Si, Ti и Al, затрудняющая создание многослойных покрытий сложных форм, нивелируется применением композиционных составов, содержащих тугоплавкий наполнитель, легкоплавную матрицу и органическое связующее. Примером этого вида припоев назовём смесь порошков химически чистых меди, олова и кобальта с размером частицы от 2 до 70 мкм, приведенных в пастообразное состояние добавлением 5% водного раствора поливинилового спирта.
В геологии, нефтедобыче, строительстве для бурения твёрдых пород используют алмазные коронки для буров. Их «алмазность» состоит в том, что в качестве режущих элементов на них применяются сегменты, получаемые путем холодного прессования шихты из кристаллов алмаза и связующего материала — кобальта. Одним из способов закрепления на бурах этих сегментов также является пайка, производимая с применением флюса, например подходят типы «h» бренда BrazeTec и припоев на основе серебра, таких как BrazeTec 4900, BrazeTec 4900A, также содержащих медь, марганец, цинк и никель в качестве твердосплавной составляющей.
Пайка керамических изделий
Керамика, родившаяся как рукотворная замена природного камня, в начале своего пути, пока она была материалом для красивой посуды и строительных изделий, в пайке не нуждалась. Позже, эволюционировав в сферу высоких технологий благодаря уникальному набору свойств некоторых своих разновидностей, таких как высокая электросопротивляемость, прочность при температурах выше 500°С, стойкость к быстрым колебаниям температур, встал вопрос о соединении изделий из неё с металлами. Пайка керамики и металлов нашла применение в высокоточном приборостроении, в радиоэлектронной промышленности. Основных способов её производства четыре:
- послойная металлизация керамики с последующим спеканием слоёв;
- пайка стеклоприпоем;
- активная пайка;
- пайка под давлением.
Патент на один из вариантов первого способа был выдан во Франции, в последней четверти прошлого века. Надежность результата соответствует многоступенчатости сложного процесса. Из порошкообразных молибдена или вольфрама с добавлением марганца, гидрида титана, борида молибдена, ферросилиция приготавливают пасты. Нанесенный слой впекают в керамику при температурах 1250-1650°С, дублируя процесс. Повторная металлизация производится гальванизацией никелем, тоже в два этапа, химическим и электролитическим путем. Пайку таким образом подготовленной керамики производят медно-серебрянными припоями.
Пайка стеклоприпоями — самый старый метод соединения керамики с металлами. Припои, применяемые здесь, с течением времени усложнялись, эволюционировав от промышленных марок стекла и глазурей до специальных составов, состоящих из сложных композиций, содержащих оксиды кремния, бария, натрия, калия, лития, цинка и алюминия.
Теперь стеклоприпой является высокотехнологичным материалом, приготовленным по керамической технологии, когда шихту, содержащую компоненты состава сваривают, измельчают в тонкодисперсную массу, гранулируют и измельчают повторно, и путем обработки под давлением придают форму, пригодную для конкретного техпроцесса пайки, которая производится при температурах 1300-1360°С.
Активная, или прямая пайка осуществляется при использовании в качестве припоя титана, циркония и гафния, имеющих способность смачивать непосредственно керамику, что исключает трудоемкую и технологически сложную предварительную металлизацию. Процесс производят в вакууме или инертной среде. В этих условиях при высокой температуре происходит частичное восстановления окисла, из которого состоит керамика, и образуется сложный твёрдый восстановительно-замещающий взаимный раствор металла припоя и металла керамики, образующий паяльный шов.
Пайка керамики под давлением также исключает металлизацию. В качестве припоя применяют медно-германиевые припои с добавлением марганца. Детали собираются в узел, нагреваются до температуры плавления припоя, выдерживаются без давления некоторое время для обеспечения возможности припою растечься. Затем подвергаются давлению в 4-5 МПа и после выдержки при этой температуре, не снимая давления, охлаждаются.
Пайка вольфрама
Вольфрам со своими выдающимися физическими свойствами занимает в ряду технологических металлов особое положение. Плотность как у золота, температура плавления в 3422°С, самая высокая из экспериментально доказанных среди металлов, немагнитность, электропроводность и высокая твёрдость определяют его область применения от бытовых до космических. Нить накаливания осветительной лампы и гироскоп баллистической ракеты содержат вольфрам. При этом, вольфрам хрупок при нормальных условия, сильноокисляем и сверхпластичен при нагревании.
Совокупность плюсов и минусов этих характеристик и образует сложность процессов пайки вольфрама. Очистку окислов перед пайкой производят травлением в кислой среде из равносоставной смеси фтористоводородной и азотной кислот, в щелочной среде едкого натра. Затем заготовку промывают в спирте, горячей воде до нейтральной реакции на поверхности. Промышленная пайка вольфрама производится в вакууме, либо в защитно-восстановительной среде, исключающей повторное окисление. Чтобы улучшить смачивание зоны пайки, иногда требуется промежуточная операция нанесения нано-слоёв меди, никеля, производимая методом гальванизации. Для минимизации эффектов, вызываемых свойством рекристаллизации вольфрама в границе температур 1600°С, техпроцесс пайки должен обеспечивать быструю скорость нагревание материала и короткую выдержку при достижении расплава припоя. В качестве последних при пайке вольфрама применяются чистые металлы с высокими, до 1000-3000°С, температурами плавления, такие как медь, никель, ниобий, тантал. Применяются в качестве припоев также разнопропорциональные сплавы этих металлов в различных комбинациях, с добавлением активной составляющей марганца, хрома и железа. В среде аргона вольфрам паяется серебряными, железно-марганцевыми и медно-никелевыми припоями стандартных марок.
Пайка никеля
Типичному представителю ряда переходных металлов, никелю, в полной мере принадлежат свойства, характеризующие этот ряд: ковкость, тягучесть и при этом высокий предел прочности на разрыв. С точки зрения химии, никель обладает великолепной способностью противостоять окислению. Такой набор позволяет найти серебристому металлу применение и в производстве нержавеющих сплавов, в электротехнической промышленности, в ювелирном деле, ракетостроении, химпроизводстве. До 84% производимого в мире никеля расходуется на изготовление сплавов, его содержащих. Широкий диапазон применения этих сплавов подразумевает и разнообразные методы получения конечного продукта из них, и конечно, не обходится и без пайки.
В зависимости от компонентов никельсодержащих сплавов, на их поверхности образовываются оксидные пленки разной степени стойкости. Эти преграды для пайки без затруднений удаляются флюсованием или при нагреве у сплавов электрохимического назначения, и требуют включения в техпроцесс специальных операций по осушке, применения восстановительных газовых сред или дополнительного металлизирования с применением вакуумных сред у жаростойких и сверхжаростойких сплавов.
Если к соединению, состоящему из деталей из никеля и его сплавов предъявляются не очень высокие требования по температурным режимам работы, то применяются припои на основе серебра, содержащие его от 61 до 85%, а помимо — медь и цинк для достижения температуры плавления 730°С, или марганец для её повышения до 980°С. Более высокие значения, превышающие 1100°С, обеспечивают припои комплексных составов никель-марганец-хром, или их вариации с добавлением серебра и палладия, в последнем случае пайка производится помимо вакуума, ещё и в аргоновых средах. При пайке некоторые из компонентов припоя проявляют склонность к растворению в никеле в зоне пайки, поэтому на передний план проведения операции выдвигается требование по неукоснительному и точному соблюдению тепловых и временных режимов технологии.
Пайка титана
Еще у одного окруженного ореолом элитности цветного металла, титана, необычные свойства и судьба. Открытый в принципе еще в конце 1700-ых годов, он впервые был получен в чистом металлическом виде в 1825 году, а промышленное его производство состоялось только в 40-ых годах ХХ века. Как обычно тогда бывало, потребности промышленности в металле, которые вдвое легче стали и сопоставим с ней по прочности, подтолкнули науку. Люксембургским металловедом Г. Кроллом был изобретен метод получения титана восстановлением из его тетрахлорда, который и поныне даёт большую часть мирового производства. Прочность титана востребована в ракето- и авиастроении, военной промышленности. Химическая инертность сделал его незаменимым при изготовлении арматуры, аппаратов, ёмкостей и машин для агрессивных сред в химических производствах, из него делают протезы человеческих органов.
Титан и его сплавы тоже поддаётся пайке, и в общем случае технология включает в себя все этапы, рассматриваемые выше. На подготовительной стадии с соединяемых деталей удаляется т.н. альфированный слой, это хрупкий, насыщенный атмосферным кислородом слой материала. В зависимости от его толщины, достаточно может быть или пескоструйной обработки, или, в сложных случаях, травление в смеси азотной и соляной кислот. Но даже эти методы полностью не удаляют оксидные пленки. Поэтому мало того, что неизбежно применение флюсов на основе ортофосфорной и ацетилсалициловой кислот, натриевой соли борной кислоты, ещё и потребуется создание вакуумной или инертной аргоновой среды. Пайка ведётся при температурах в районе 900°С, позволяющей уберечься от структурных изменений, которым подвержен титан при более высоком нагревании. Отсюда и номенклатура припоев, обеспечивающих достаточную прочность соединению, ещё и с учетом склонности титана создавать со своими припоями интерметаллиды — химическое соединение металл-металл. Серебро, алюминий — наиболее распространённая припои, которыми производят пайку титана. Также, в порядке снижения предпочтения, используются никель- и медьсодержащие припои. Для снижения образования интерметаллидов в зоне пайки, припои легируются малопроцентными добавками железа, марганца, магния, никеля, кремния и др. Пайка титана в условиях промышленного производства происходит как в вакуумных печах, так и на ТВЧ-установках.
Глядя на разнообразие материалов и технологий современной пайки, может сложится впечатление, что никакое экзотическое ограничение, созданное каким-либо свойством какого-то конкретного вещества, не является препятствием современному материаловедению. Будь то высокие температуры, специфические на них реакции, физические трансформации или химически-неизбежные процессы — для всего есть уже готовое решение. Это, конечно, совсем не так. И по-прежнему идея, стремление соединить несоединимое, подкреплённое всё большими потребностями производства в чистоте, точности, стабильности соединений конструкционных материалов, расширение линейки этих самых материалов далеко в стороны от традиционных металлов, всё это заставляет крупнейших производителей затрачивать до 20% собственных прибылей как на прикладные исследования, так и на фундаментальную науку, открывающие новые горизонты и новые возможности в совершенствовании методов, способов и качества получения современной промышленной и бытовой продукции.