Основной стадией процесса пайки графита с металлами является его пропитка расплавленным припоем. Образующийся при этом металлический каркас определяет прочность соединения.
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
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 Тп=1150-12000С в атмосфере защитных газов или воздухе зависит от усилия сжатия (Р =(0,4-1,6)10-7Па) и составляет lпр = 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 – Тп=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.