با فلزات پُرکننده پایه نیکل می توان هر نوع فلز پایه با نقطه ذوب بالا را لحیم کاری سخت کرد. اصولا آن ها با آلیاژهای مقاوم به حرارت و خوردگی (مثل فولادهای زنگ نزن گروه 300 و 400 و آلیاژي های پایه نیکل و کبالت) استفاده می شوند. انتخاب بهترین فلز پُرکننده باعث می شود تا اتصال لحیم کاری شده خواص خود را تا ºC 980 حفظ کند. فلزات پُرکننده پایه نیکل برای لحیم کاری سخت فولادهای ساده کربنی استفاده نمی شود، زیرا برای لحیم کاری سخت آن ها فلزات پُرکننده ارزان تری وجود دارد. البته در برخی موارد استثناء از گروه های پایه نیکل نیز استفاده می شود.

نکات اساسی در انتخاب فلزات پُرکننده پایه نیکل

انتخاب فلز پُرکننده برای اتصال دهی به 5 عامل بستگی دارد: خواص فلز پُرکننده، طراحی اتصال، الزامات سرویس، ترکیب شیمیایی فلز پایه و هزینه دسترسی.

1-خواص فلز پُرکننده
نقطه ذوب یا گستره ذوب:
فلزات پُرکننده با ترکیب شیمیایی یوتکتیک در یک دمای خاص ذوب می شوند، در حالی که آلیاژهای پُرکننده در یک گستره دمایی ذوب می شوند. این موضوع تعیین می کند که کل ماده در یک دما یا گستره ای از دما جاری می شود.


سیالیت:
مونتاژ ضعیف یا خوب اتصال لحیم کاری شده تعیین کننده سیالیت آرام یا سریع فلز پُرکننده است. دانستن سیالیت فلز پُرکننده به طراح امکان می دهد که درز اتصال مناسب را پیش گویی کند.

دمای ذوب مجدد اتصال:
آلیاژهای پُرکننده حاوی عناصر آلیاژی با نرخ نفوذ مختلف به فلزات پایه هستند. این نفوذ تعیین کننده ترکیب شیمیایی و دمای ذوب مجدد اتصال لحیم کاری شده است.

فشار بخار:
در لحیم کاری سخت تحت خلا فلز پُرکننده باید فشار بخار کمتر از فشار خلا داشته باشد تا از خروچ گاز عناصر فلز پُرکننده جلوگیری شود. این خروج گاز باعث کیفیت ضعیف اتصال لحیم کاری شده می شود.

 

2-طراحی اتصال
بر اساس دلایل بیان شده در بالا، طراح باید هندسه اتصال و درز اتصال را بداند تا فلز پُرکننده با سیالیت مناسب را انتخاب کند.

 

3-الزامات سرویس
الزامات سرویس شامل استحکام، انعطاف پذیری و مقاومت به حرارت و خوردگی است. خصوصیات شیمی و مکانیکی فلز پُرکننده لحیم سخت نهایی تعیین کننده خواص نهایی اتصال است.

 

4-ترکیب شیمیایی فلز پایه
آلیاژهای فلز پایه با فلزات پُرکننده لحیم کاری سخت واکنش می کنند. خواص فلز لحیم سخت آلیاژسازی شده تعیین کننده خواص نهایی اتصال است.

 

5-هزینه و دسترسی
هزینه مواد خام در بازار امروز تاثیر مهمی بر هزینه قطعات لحیم کاری شده دارد. نوسانات پیش بینی نشده در فلزات گران بها و بازار فلزات استراتژیک بر هزینه لحیم کاری سخت موثر است. تاثیر این عوامل پیش بینی نشده می تواند با مهندسی و طراحی قطعات که از فلزات پُرکننده لحیم کاری سخت استفاده می شود به خوب یمدیریت شود. در جدول 1 هزینه مواد خام طلا، نقره و نیکل به عنوان فلزات پُرکننده لحیم کاری سخت پایه در مدت 5 سال را نشان می دهد.

 

جدول 1: مقایسه قیمت موادخام برای ساخت فلزات پُرکننده لحیم کاری سخت.

 

 

در گذشته، در طراحی های خاص از فلزات گران بها برای لحیم کاری سخت در کاربردهای خاص استفاده شده است. امروزه، فناوری موجود برای طراحی باعث شده تا از فلزات پُرکننده اقتصادی مثل فلزات پُرکننده پایه نیکل استفاده شود. هزینه واقعی ماده اتصال لحیم کاری سخت نه تنها به قیمت بازار فلزات بلکه به مقدار فلز در آلیاژ و چگالی آن وابسته است. حجم یکسان از فلز پُرکننده باید مستقل از ترکیب شیمیایی استفاده شود. چگالی طلا دو برابر بیشتر از نیکل است و به تبع آن در حجم یکسان وزن بیشتری دارد. جدول 2 این رابطه را بر اساس مقدار طلا، نقره و نیکل و ارزش بازار در سال 2008 نشان می دهد. این هزینه ها برای اهداف مقایسه ای آورده شده است. همچنین این جدول میزان تغییرات هزینه مواد آلیاژهای لحیم کاری سخت با نوسانات بازار فلزات و فرصت صرفه جویی فلزات پُرکننده لحیم کاری سخت طلا یا نقره از طریق جایگزینی با آلیاژهای لحیم کاری سخت پایه نیکل را نشان می دهد.

بر اساس استاندارد 2004 : 8: 5A AWS که در مورد فلزات پُرکننده لحیم کاری سخت و جوشکاری لحیم سخت است، 15 فلز پُرکننده لحیم کاری سخت پایه نیکل وجود دارد که خواص و کاربردهای آن به شرح زیر است:

1. 1-BNi: برای استحکام بالا، مقاومت به حرارت در پره های توربین و قطعات موتور جت استفاده می شود.
2. 2-BNi: مشابه با 1-BNi است، خواص سیالیت خوب در دماهای لحیم کاری سخت پایین تر دارد.
3. 3-BNi: سیالیت خوب در شرایط خلا نسبتا کم. برای اتصالات تنگ و مساحت زیاد مناسب است.
4. 4-BNi: نبشی های بزرگ و نسبتا انعطاف پذیر می سازد، یک انتخاب خوب برای اتصالات بزرگ با درز اتصال وسیع است.
5. 5-BNi: برای استحکام بالا و مقاومت به خوردگی خوب، در صنایع هسته ای و سایر کاربردها که بور نمی توان استفاده کرد.
6. 6-BNi: یک فلز پُرکننده با سیالیت خوب با کمترین آلیاژسازی با زمینه های نیکل یا آهن.
7. 7-BNi: در لحیم کاری سخت مواد مقاوم به حرارت، نشتی بسیار کم ایجاد می کند. رُفتگی (انحلال بیش از حد) کم است به دلیل انحلال پذیری کم در آلیاژهای پایه نیکل و آهن است. برای ساختارهای لانه زنبوری و لوله های جداره نازک استفاده می-شود.
8. 8-BNi: در قطعات لحیم کاری شده لانه زنبوری و فولادهای زنگ نزن و سایر فلزات پایه مقاوم به خوردگی استفاده می شود.
9. 9-BNi: برای قطعات موتور جت و قطعات تحت تنش زیاد استفاده می شود. در دمای لحیم کاری سخت پایین تر نیز استحکام خوبی دارد.
10. 10-BNi: استحکام بسیار زیاد در دمای بالا. برای لحیم کاری سخت فلزات پایه شامل کبالت، تنگستن و مولیبدن مناسب است.
11. 11-BNi: برای کاربردهای مشابه با 10-BNi مناسب است به استثناء این که سیالیت بهتری دارد.
12. 12-BNi مشابه با 7-BNi است، به استثناء این که استحکام بالاتری دارد و مقاومت به خوردگی و حرارتی بهتری دارد.
13. 13-BNi خصوصیات لحیم کاری سخت مشابه با 2-BNi دارد، اما مقاومت به خوردگی و استحکام اتصال بهتر است.

انتخاب فلز پُرکننده بر اساس فلز پایه

مطالعات موردی زیر نحوه انتخاب فلز پُرکننده مناسب و تاثیر آن بر عملکرد اقتصادی و اجرایی قطعه لحیم کاری شده را بیان می کند:
پره های ثابت توربین. بعد از لحیم کاری پره های توربین با ابعاد mm 76×51×65 (شکل 1) از جنس فولاد زنگ نزن 422، قطعه عملیات حرارتی شده تا سختی، استحکام کششی و استحکام ضربه مطلوب ایجاد شود. به هر حال، اتصال نیاز به استحکام خوب دارد. فلز پُرکننده نباید قابلیت سختی پذیری فلز پایه را کاهش دهد. 1-BNi، حاوی %7/0 وزنی کربن، بهترین انتخاب برای این کار است، به دلیل این که هنگامی که فلز پُرکننده به فلز پایه نفوذ می کند، تشکیل آستنیت نمی دهد و سختی را کاهش نمی دهد. بدین منظور، فلز پُرکننده جایگذاری می شود، به نحوی که سیالیت بالا ضروری نمی باشد.

مبدل حرارتی. این قطعه فولادی از جنس 304 یک قلب مصنوعی در یک سیستم پشتیبان برای جراحی اصلی است (شکل 2). نشتی کم و مقاومت به خوردگی در برابر سیال بدن انسان نیاز اصلی می باشد. درز اتصال باید تنگ باشد، به نحوی که فلز پُرکننده سیالیت خوبی داشته باشد. مقدار کروم زیاد نیاز خوردگی را برآورده می کند. انتخاب طراح: 2-BNi یا احتمالا فلز پُرکننده نیکل-16 کروم-5/3 بور.

بدنه استارتر موتور جت. این مجموعه (شکل 3) با قطر خارجی حدود mm 203 دقت ابعادی زیاد، اتصالات نوع بوشی دارد که به بالا و پایین بدنه تا مقطع اصلی اتصال داده شده است. قطعه دمای بالا و تنش زیاد در داخل تجربه می کند، اما اتصالات در خارج آن تحت دما و تنش کمتر است. عوامل تعیین کننده درز اتصال تنگ و طول زیاد اتصال، سیالیت خوب (مثل آلیاژ 2-BNi و 3-BNi) است.

نفوذکننده های موتور توربین گازی. با وجود این که مجموعه مونتاژ قطر خارجی حدود mm 406 دارد (شکل 4)، ولیکن به خوبی مونتاژ می شود. این مجموعه به استحکام و پایداری زیاد در برابر ارتعاش سیستم نیاز دارد. انطباق لبه های اتصال به خوبی کنترل نمی شود و درز اتصال تا mm 0254/0 متغیر است. در این حالت به فلز پُرکننده با سیالیت کم با استحکام خوب نیاز است. برای این کار 1-BNi مناسب است و نتایج خوبی به همراه داشته است. a1-BNi، نوع کم کربن آلیاژ است که می تواند برای این کار نیز خوب باشد. فلز پُرکننده نیکل-کروم-بور-سیلسیم شامل %17 وزنی تنگستن موجب می شود تا استحکام فلز لحیم سخت با درز اتصال وسیع خوب شود. همچنین، کاهش در دمای لحیم کاری سخت آن را برای درزهای اتصال وسیع مناسب می کند. برخی از کاربران فلزات پُرکننده را با هم مخلوط می کنند تا از دو گستره دمایی استفاده کنند.

سنسورهای جریان سوخت. این قطعه لحیم کاری شده از فولاد زنگ نزن 410 شامل 200 اتصال در لوله جداره نازکاز فولاد زنگ نزن 347 است. در شرایط سرویس، سنسور تا °C 90 گرم می شود. مخلوط سوخت خورنده از سنسور عبور می کند که باید نشت کم داشته باشد. فشار و تنش اعمالی کم است، اما اتصالات لحیم کاری شده بین فلزات غیرمشابه باید تنش ناشی از اختلاف ضریب انبساط حرارتی دو فلز پایه را تحمل کند. با انطباق و مونتاژ خوب، یک آلیاژ نیکل-فسفر-کروم مثل 7-BNi ایستادگی در برابر تنش دارد و اتصال نشتی ندارد. 7-BNi سیالیت کافی برای پُر کردن درز اتصال mm 025/0 یا کمتر را دارد.

سیلندر خنک کننده با درز اتصال وسیع. برای پُر کردن درز اتصال وسیع (mm 25/0 یا بیشتر) از روش دو مرحله ای استفاده می شود: 1)زینترینگ ماده پُرکننده 2)اعمال فلز پُرکننده لحیم کاری سخت. پودر ماده پُرکننده بر اساس شکل و ضخامت درز اتصال شکل دهی شده و تف جوشی می شود. سپس ماده پُرکننده و ماده لحیم کاری سخت در درز اتصال قرار داده شده و تا دمای اتصال دهی حرارت داده می شود. فلزات پُرکننده لحیم کاری سخت 2-BNi و 3-BNi برای پُر کردن حفره های موجود در پیش ماده تف جوشی شده پیشنهاد می شود.