آماده سازی سطحی برای لحیم کاری سخت تحت خلأ

تمیزی سطوح اتصال
شرایط سطح فلز پایه یک عامل مهم در تولید اتصالات لحیم کاری شده سالم است. تمیزی خوب سطوح عامل اصلی در تَرشوندگی است و به جاری شدن فلز پُرکننده مذاب بر مواد زیرلایه حین فرایند لحیم کاری سخت کمک می کند. لحیم کاری سخت تحت خلأ در دمای بالا به تمیزی و سطوح عاری از اکسید نیاز دارد.
بر سطح ورق های فلزی آلودگی هایی مثل روغن، گریس، رنگ،روانکار یا گردوخاک وجود دارد. آلودگی های سطحی جریان موئینگی را مختل می کنند. از روش های مختلفی برای تمیزکاری سطح استفاده می شود و تاثیر آن ها به عوامل زیادی مثل ماهیت آلودگی، نوع ماده پایه و هندسه قطعه بستگی دارد. از روش های شیمیایی و/یا مکانیکی برای تمیزکاری و ایجاد سطوح تمیز جهت لحیم کاری سخت استفاده می شود.

 

تمیزکاری شیمیایی
روغن و گریس معمولا با غوطه وری قطعه در محلول چربی زدایی مناسب یا چربی زدایی با بخار، محلول های شستشوی بازی (فسفات ها، NaOH و KOH) یا تمیزکاری با آب برطرف می شوند. آلودگی های روغنی باقی مانده از فرایندهای ماشین کاری می توانند مانند یک مانع عمل کنند. هر نوع فلز پایه روغنی، فلاکس را دفع خواهد کرد، نقاط سخت به جا می گذارد که هنگام حرارت دادن اکسید می شوند و باعث حفره در فلز پُرکننده می شود. روغن و گریس هنگام حرارت دادن سطح را کربوره می-کنند و یک لایه تشکیل می دهند که فلز پُرکننده نمی تواند بر آن جاری شود.
به هر حال، اگر سطح اکسید شود، لایه های اکسیدی نمی تواند به راحتی با اکثر فرایندهای شیمیایی حذف شود. در این حالت، از فرایند تمیزکاری شیمیایی یا مکانیکی مثل اسیدشویی استفاده می شود. اسیدشویی باعث حذف لایه نازک از سطح زیرلایه می-شودکه اکسید شده است.
روش های اسیدشویی صنعتی متداول شامل غوطه وری، پاشش یا اسیدشویی چرخشی است. انواع مواد شیمیایی برای فرایندهای اسیدشویی استفاده می شود که به شدت وابسته به ماده پایه است. به عنوان مثال، فولادهای زنگ نزن اغلب با مخلوط اسیدی شامل اسید نیتریک (3 HNO) و اسید هیدروفلوریک (HF) شستشو می شوند، در حالی که کلریدها شامل اسیدهایی مثل هیدروکلریک (HCl) به دلیل خطر خوردگی حفره ای نباید استفاده شوند.

تمیزکاری مکانیکی
همه سطوح باید قبل از فرایند مکانیکی به صورت شیمیایی تمیز شوند. از روش های مکانیکی مثل سنگ زنی، ماشین کاری؛ فلاپی زدن، برس سیمی، پولیش ارتعاشی و پاشش استفاده می شود. این روش ها می توانند لایه های اکسیدی که ممکن است بر سطوح فلز پایه باشد را حذف کنند. اگر ماده سردکننده حین هر یک از این فرایندهای تمیزکاری استفاده شود، آن ها باید عاری از آلودگی هایی مثل باقی مانده های سیلیسی و ممانعت کننده های خوردگی باشند.
تحقیقات نشان داده است که از پاشش مواد غیرفلزی مثل اکسید آلومینیوم و کاربید سیلسیم باید جلوگیری شود، زیرا باقی مانده-های سطحی این مواد می تواند از سیالیت و ظرفیت تَرشوندگی ممانعت کند که از طریق مانع اکسیدی یا فیزیکی انجام می شود. لحیم کاری سخت زیرلایه های پایه نیکل (مانند 718IN) با پاشش پودر پایه نیکل قبل از لحیم کاری سخت در خلأ بهبود یافته است. چدن ریختگی سریع سرد شده و دانه ها یا پودرهای فولاد زنگ نزن یا فولاد سخت شده برای فولادهای کربنی و فولادهای زنگ نزن پیشنهاد می شود.
فرایندهای تمیزکاری مکانیکی باعث تنش های فشاری بر سطح شده و سطح را زبر می کند. ثابت شده تَرشوندگی بر سطح زبر بهتر از سطح صاف در هندسه مشابه است. برای اغلب مواد، زبری سطح بهینه 75/0 تا μm 75/3 بهینه است.

شرایط سطحی
با وجود این که تمیزکاری شیمیایی و/یا مکانیکی بسیار موثر است، برخی مواد پایه و قطعات نیاز به شرایط اضافی دارند تا سطح برای لحیم کاری سخت آماده شود. ترکیب شیمیایی و سابقه حرارتی فلزات پایه بر خصوصیات سطحی موثر است. برای مثال، مواد پایه که شامل مقادیری آلومینیوم و تیتانیوم هستند امکان جاری شدن خوب فلز پُرکننده فراهم نمی باشد. این به دلیل آن است که این عناصر اکسیدهای بسیار پایداری بر منطقه سطحی می سازند که تَرشوندگی خوب فلز پُرکننده را با مشکل مواجه می کند.
روش های ایجاد شرایط سطحی کاملا شناخته شده است و در صنعت به کرّات استفاده می شود.

 

تمیزکاری در خلأ: یک روش مناسب برای حذف اکسید از فولاد زنگ نزن و برخی آلیاژهای پایه نیکل است.
نظریه اصلی استفاده از کوره خلأ در فرایند لحیم کاری سخت آن است که خلأ بالا به حذف اکسیدهای سطحی کمک می کند. این تاثیر حین لحیم کاری سخت فولادهای زنگ نزن به خوبی مشاهده شده است، زیرا اکسید کروم را از سطح جدا می کند و به سیالیت خوب فلز پُرکننده کمک می کند.
با وجود این که اکسیدهای آهن، نیکل و کروم به راحتی تحت شرایط خلأ در دماهای بالا جدا می شوند، اکسیدهای آلومینیوم و تیتانیوم به راحتی جدا نمی شوند. حضور اکسیدهای سطحی باعث آسیب به سیالیت فلز پُرکننده می شود و از لحیم کاری سخت مجموعه مونتاژ جلوگیری می کند.
پایداری و راحتی انحلال اکسیدهای سطحی با نمودار الینگهام (Ellingham) قابل تشریح است (شکل 1). همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، برخی از آن ها پایدار هستند و بنابراین به سختی اکسیدهای سحی (مثل اکسیدهای تیتانیوم و آلومینیوم) قابل حذف شدن است. آلیاژهای پایه نیکل شامل تیتانیوم و آلومینیوم تشکیل اکسیدهای نوع اسپینل پیچیده در سطح آزاد می-دهند که اگر مقدار آن ها کافی باشد می توانند مانع تَرشوندگی و به تبع آن لحیم کاری سخت این آلیاژها مشکل است.

 

شکل 1: نمودار الینگهام نشان دهنده آن است که اکسیدهای سطحی که در سمت چپ قرار دارند به راحتی قابل حذف شدن هستند و اکسیدهایی که سمت راست قرار دارند به سختی حین لحیم کاری سخت تحت خلأ حذف می شوند.

 

بنابراین، آلیاژهای شامل مقادیر قابل توجه آلومینیوم و تیتانیوم (در کل 1≤) باید تحت عملیات تمیزکاری قرار بگیرند تا یک لایه سطحی به عمق μm 50-20 که اکسیدهای آلومینیوم و تیتانیوم ندارد ایجاد شود.
نمودار الینگهام نشان می دهد به استثناء مس و نیکل، برای رسیدن به تجزیه اکسیدهای فلزی پایدار از نظر ترمودینامیکی، فشار جزئی اکسیژن و دما ضروری است که تحقق بخشیدن به این موضوع در لحیم کاری سخت تحت خلأ قابل انجام نمی باشد. حذف لایه های اکسیدی در خلأ از طریق سایر مکانیزم ها قابل دستیابی است:
-عدم انطباقی انبساط حرارتی بین فلز و لایه اکسید و خصوصیات مکانیکی تردی آن باعث ریزترک در لایه اکسید می شود. فلز پُرکننده مذاب می تواند از طریق این ریزترک ها در لایه اکسیدی به سطح فلز پایه برسد و باعث جدا شدن لایه اکسید می شود.
-انحلال لایه های اکسیدی نازک در ماده پایه از طریق فرایندهای نفوذی تحت شرایط خلأ
-احیاء اکسید فلز با اضافه کردن عناصری با تمایل زیاد به اکسیژن و فشار بخار بالا مثل لیتیوم، منیزیوم و کلسیم. آن ها در محفظه به صورت بخار وارد می شوند یا به صورت آلیاژسازی شده با فلز پُرکننده استفاده می شوند و مانند جاذب فلزات عمل می کنند، همزمان اکسیژن را جذب و مقدار رطوبت گاز باقی مانده را کاهش می دهند (این روش در لحیم کاری سخت آلومینیوم بدون فلاکس استفاده می شوند).

 

تمیزکاری با فشار جزئی هیدروژن: یک روش موثر برای حذف اکسیدها از فولادهای زنگ نزن، سوپرآلیاژهای پایه کبالت و برخی آلیاژهای پایه نیکل است. توانایی هیدروژن خالص برای احیاء اکسیدها بر سطح فلزات و آلیاژها وابسته به سه عامل اصلی است: 1)دما، 2)خلوص هیدروژن (بر اساس نقطه شبنم) و 3)فشار گاز. در مورد هر سیستم اکسید فلز-فلز در تعادل (شکل 1)، در مقدار خلوص و فشار هیدروژن ثابت، در هم شکستن اکسید با دمای بالا بهتر انجام می شود و وابسته به زمان است.
احتیاط خاص برای فلزاتی که تمایل زیاد به هیدروژن دارند (مثل تیتانیوم) باید در نظر گرفته شود، زیرا خواص آن ها ممکن است تحت تاثیر قرار بگیرد.

 

تمیزکاری با یون فلوریدی: تنها روش موثر برای حذف اکسیدهای تیتانیوم و آلومینیوم از سوپرآلیاژهای پایه نیکل رسوب سختی (مثل انیکونل، رِن و نایمونیک) است. این روش تمیزکاری سطحی مرسوم برای آلیاژهای غنی از تیتانیوم و آلومینیوم به نظر می رسد که فرایند بسیار موثری است و استفاده از گاز هیدروفلوریک ساده تر، دقیق تر و پایدارتر نسبت به سایر روش های پیچیده است.
واکنش های شیمیایی زیر اتفاق می افتد:
3AlF2+O2H2→3O2Al+Hf6 -1
4TiF+ O2H2→2TiO+Hf4 -2
2CrF2+2F+ O2H2→3O2Cr+Hf6 -3
علاوه بر حذف اکسیدهای موجود بر سطح و در ترک ها، فقیر شدن سطحی از عناصری مثل تیتانیوم و آلومینیوم نیز اتفاق می افتد که توانایی لحیم کاری سخت با حذف اصلاح کننده های اکسیدی را افزایش می دهد.
این واکنش ها با روابط زیر بیان می شود:
2H3+3AlF2→Al2+Hf6 -1
2H4+4TiF2→Ti+Hf8 -2
واکنش فقیرشدن تابع دمای واکنش و زمان، غلظت Hf و ترکیب شیمیایی آلیاژ است.
به جای تمیزکاری با یون فلوریدی، از آبکاری نیکل استفاده می شود. این پوشش دهی مانع از اکسیداسیون فلزات پایه حاوی مقادیر زیاد تیتانیوم و آلومینیوم می شود. آبکاری نیکل برای فولادهای زنگ نزن حاوی نیتروژن زیاد مطلوب است. آبکاری نیکل موجب بهبود تَرشوندگی سطحی می شود.
آبکاری با روش های الکتروشیمیایی یا شیمیایی انجام می شود. در آبکاری شیمیایی نیکل-فسفر، حضور فسفر به عنوان عنصر کاهنده نقطه ذوب عمل می کند و باعث می شود لایه آبکاری در دمای °C 870 ذوب شود. هنگام ذوب شدن، لایه به راحتی مانند یک مانع بین فلز پُرکننده لحیم سخت و ماده زیرلایه عمل می کند و باعث مشکلاتی می شود که اتصال لحیم کاری سخت را مشکل می کند.

 

ضخامت پیشنهاد شده آبکاری الکترولیتی نیکل
اگر فلز پایه نورد گرم و پرداخت مات شده است، پس احتمال این که سطح به طور کامل فقیر از آلومینیوم، تیتانیوم و کروم باشد و این عناصر بدون آبکاری نیکل لحیم کاری سخت شوند وجود دارد. هنگامی که فلز پایه ماشین کاری می شود و یا با روش های سرد پرداخت می شود، اکسیدها حضور خواهند داشت و رنگ متداول تیتانیوم و آلومینیوم ممکن است قابل روئیت باشد. به طور کلی، اگر مقدار تیتانیوم و آلومینیوم ماده کمتر از %4 وزنی باشد، ضخامت mm 015/0-0025/0 آبکاری نیکل برای فرایند تحت خلأ کافی است. به هر حال، در هیدروژن خشک mm 015/0-01/0 ضخامت پیشنهاد می شود. در فلزات پایه با مقدار تیتانیوم و آلومینیوم بیشتر از %4 وزنی، ضخامت آبکاری mm 015/0-008/0 نیاز است، در حالی که در هیدروژن خشک mm 025/0-02/0 ضروری است. در واقع، برخی فرایندها حتی از غوطه وری در مذاب نیکل بر فولادهای زنگ نزن 347 و 304 استفاده می کنند تا کیفیت لحیم کاری سخت بهبود یابد.