1. образование прослойки карбидной фазы на границе раздела металл-графит. Такое взаимодействие возможно для переходных металлов 4 – 6 группы периодической системы Менделеева:Ti, Zr, Si, Hf, V, Nb, W, Mo, Fe, Co, Ni, B.

2. растворение графита в жидком металле, при этом металл не растворяется и не диффундирует в твёрдую фазу (металлы 7 – 8 групп – Mn, Tc-технеций , Re-рений)

3. Диффузия и внедрение металла в решётку твёрдой фазы: при взаимодействии графита с щелочноземельными металлами. В графит диффундирует в.

4. при взаимодействии графита с элементами, инертными к углероду, смачивание достигается в результате дисперсионного взаимодействия.

По интенсивности взаимодействия с углеродом элементы располагаются в следующем порядке:

4 период – Ti, Cr, V, Mn, Fe, Co, Ni;

5 период – Zn, Nb, Mo, Pd

6 период – W, Pt

Основной стадией процесса пайки графита с металлами является его пропитка расплавленным припоем. Образующийся при этом металлический каркас определяет прочность соединения.

Трудность соединений графитовых материалов с металлами обусловлена различием их теплофизических и физико-механических характеристик: теплопроводности, модуля упругости и особенно теплового расширения, вследствие различия ТКЛР металлов и графита в спае возникают значительные внутренние напряжения, поэтому возможно разрушение графитов детали в зоне соединения.

Меры снижения внутренних напряжений в соединении:

1. уменьшение температуры пайки;

2. подбор материалов, максимально близких по ТКЛР к графиту в диапазоне температур нагрева;

3. применение пластичных припоев или промежуточных прослоек из молибдена, титана, вольфрама, циркония, сплава 29НК, предел прочности которых ниже или близок к пределу прочности при растяжении графитового материала;

4. выбор конструкции соединений, при которых на графит воздействует только напряжения сжатия;

5. создание неравномерного температурного поля, при котором металлические детали нагреваются при пайке до более низкой температуры, чем графитовые.

Соединения графита со сталью используются в узлах крепления графитовых катодов и анодов к токопроводящим медным или алюминиевым шинам металлургических печей и электролизных ванн для выплавки цветных металлов, торцовых уплотнителей, подпятников, радиальных и упорных подшипников аппаратов, работающих в среде жидких углеводородов, теплообменников ядерных реакторов – (графитовые трубы паяют с трубными досками из коррозионно-стойкой стали), в узлах сочленения камер сгорания с металлической арматурой.

Контактно-реактивная пайка используется для соединения графитовых электродов со стальными штангами, при этом способе возможно уменьшить длину огарка электрода, повысить электропроводность зоны перехода. Глубина проникания расплава припоя в графит при пайке при Т_п=1150-1200⁰С в атмосфере защитных газов или воздухе зависит от усилия сжатия (Р =(0,4-1,6)10^-7Па) и составляет l_пр = 2-8 мм. При пайке использование флюсов не обязательно, т.к. восстановление окислов стали осуществляться углеродом графита.

Пайка в воздушной среде целесообразна лишь для деталей большого сечения, т.к. при нагреве происходит окисление и разрыхление графита. Режим – нагрев со скоростью более 100⁰С до Т=1150-1200⁰С, выдержка 1-2 мин., охлаждение в печи или на прессе горячего прессования при отключении тока; давление сжатия Р =(1,5-1,7)10^-7Па.

При контактно-реактивной пайке сплава железа с графитом происходит диффузия сплава в зону спаев с образованием пограничных слоёв, обогащённых карбидами этих элементов.

Возможность пайки графита с высоколегированными сталями ограничена их толщиной – не более 15 мм. Оптимальный режим пайки – Т_п=1270-1350⁰С, t = 2-10 мин, вакуум 13,3-1,33Па или в атмосфере защитных газов.

Пайка графита со сталью с применением припоев позволяет осуществлять процесс при более низких температурах, формирование шва из более пластичного материала, использование промежуточных компенсационных элементов, снижающие уровень внутренних напряжений, особенно важно при пайке графита с коррозионно-стойкими и жаропрочными сплавами, имеющими отличные от графита ТКЛР.

Возможна низкотемпературная и высокотемпературная пайка, в зависимости от назначения изделия.

Низкотемпературная пайка – при изготовлении торцовых уплотнителей, подпятников, радиальных и упорных подшипников, рабочая температура которых не превышает 200-250⁰С. Используют припои на основе олова, свинца, висмута, кадмия и сурьмы.

Эти припои не смачивают чистый графит, поэтому пайка производится по графиту с предварительно нанесенным покрытием (медным или никелевым) или по графиту после пропитки металлом.

Высокотемпературная пайка используется для изготовления узлов атомных реакторов, соединения графитовых электродов с токоведущими электродами. Используют припой состава (вес.%) :80%Cu, 10Sn, 10Ti; электропроводность соединений после высокотемпературной пайки в 1,5 раз выше, чем при контактно-реактивной пайке.

Пайка графита с тугоплавкими металлами

Выполняют соединения графита с Mo, Nb, Ta,Ti.

При пайке требуется особо чистая среда, т.к. даже незначительное содержание кислорода, азота, водорода (до 0,0001%) сопровождается образованием трещин в тугоплавком металле. Высокотемпературная пайка выполняется в печах с контролируемой атмосферой; с использованием электронного луча по покрытию, и пайкосварка.

Соединение графита с титаном используется при креплении графитовых узлов торцовых уплотнителей в титановой обойме, и в качестве промежуточного слоя при соединении графита со сталью; выполняют электродуговую пайкосварку вольфрамовым электродом в аргоне на таком режиме: I_c=100-120A, U=16-18B, V_пэ=2м/мин. Требуется предварительный подогрев Т = 500-600⁰С.

Пайку графита с медью используют при производстве щеток электродвигателей, токосъёмных устройств; трудность – в отсутствии химического взаимодействия между графитом и медью и существенно различными физико-химическими свойствами. Поэтому пайка осуществляется за счёт применения промежуточных прослоек и припоев, содержащих активные металлы – Ti, Zr, Ni.

Припои: 70%Cu + 30%Ti – пайка медной проволоки с графитовым блоком Т_п=1000⁰С; t=10мин, вакуум .

При пайке меди М1 с графитом ГМЗ используется припой состава (вес.%): 45%Cu+45%Ag+10%Ti, Т_п=900⁰С, защитная среда - аргон.

Медь М1 с графитом ВПП паяют контактно-реактивным способом с промежуточной прослойкой из циркония или титана при температуре Т_п=900-1000⁰С в аргоне, либо готовым припоем состава (вес.%): 45%Cu+45%Ag+10%Ti.

Пайку графита с медью припоями на основе меди или серебра можно производить и на воздухе, используя стандартные флюсы - 200, 201, 209.

Составы флюсов:

Флюс 200: бура (Na₂B₄O₇) – 18-20%; окись бора B₂O₃ – 65-67%; фтористый кальций CaF₂ – 14-16%; температура активности флюса - Т_актив. 800-1200⁰С.

Флюс 201: бура Na₂B₄O₇ – 11-13%, окись бора 76-78%; хлористый кальций – 9,5-10,5%.

Флюс 209: калий фтористый – 41-43%; окись бора 34-36%; тетрафторборат калия КВF₄ – 22-24%.

Пайку силицированного графита со сталью используют при изготовлении уплотнительных колец пар трения торцовых уплотнений. Можно использовать стандартные припои на медной, железной, свинцовой и оловянной основе и выполнять пайку по предварительно нанесённой на графит силикатной или боросиликатной плёнке толщиной =0,1-0,2мм. Плёнка наносится путём поверхностной или объёмной пропитки графита кремнием или его сплавом с бором на режиме Т=1850-2100⁰С, t=15-40 мин, вакуум.

Силицированный графит обладает высокой жаростойкостью, химической стойкостью по отношению к расплавленным металлам и агрессивным средам. Из него изготавливают термопары погружения, роликовые конвейеры обжиговых печей.

При пайке силицированного графита (графитовых деталей между собой) используют припои: состава 80%Si+20%B, T_п=1700-1950⁰С, t_п=1-5мин, и Zr: T_п=1900-2000⁰С; t_п=120-160 мин; защитная среда – Ar; давление 3-510^-6Па. Такие соединения требуются при создании графитовых блоков или графитовых изделий с различными физико-механическими свойствами.

Искусственный графит начиная с Т = 400⁰С легко окисляется, разрыхляется и теряет прочность. Для сохранения его свойств пайку осуществляют в вакууме или нейтральных средах (аргоне, гелии, азоте).

Силицированный графит с металлом паяют с применением карбидообразующих припоев (титана, циркония, тантала или ниобия) за счёт образования эвтектики Ме-С:

1)СГ+12Х18Н10Т паяют припоем состава 80%Cu+20%Ti и состава 80%Cu +10 %Sn +10% Ti при температуре пайки Т_п=1100-1200⁰С, t_п=3-5мин, защитная атмосфера - аргон, давление (0,3-0,8)10^-7Па,

2)СГ+Ст3 паяют припоем состава 45%Cu+45%Ag+10%Ti, при температуре пайки Т_п=950-1050⁰С, t=5-15мин, флюс 209, давление Р=(0,30,8)10^-7Па, либо припоем состава (вес.%) :85-95Sn, 15-5Ti. Температура пайки T=900-1200⁰С, t=5-15мин, флюс 209, давление Р=(0,30,8)10^-7Па.