Преимущества диффузионной сварки

1. Получение по завершении процесса единого монолита, без швов или зазоров, без внутренних напряжений и без перегрева металла в околошовной зоне.

2. Высокое качество получаемых сварных соединений при сохранении основных свойств, присущих исходным материалам (прочность, пластичность, коррозионная стойкость и т.д.).

3. Надежный способ соединения материалов, не соединяемых другими способами.

4. Универсальность в отношении свариваемых материалов. Возможна сварка многих сочетаний разнородных металлов (например, можно соединить золото и платину или превратить в единую композицию несколько составляющих из золота разных цветов), металлов с металлокерамическими сплавами, металлов с керамикой, с графитом, двух керамических материалов и т.д.

5. Не требуется дорогостоящих припоев, электродов, флюсов, защитных газов (при вакуумировании) и т.д.

6. Отпадает необходимость последующей механической обработки, т.к. нет окалины и шлака, следовательно, исключается потеря ценного металла.

7. Масса конструкции не увеличивается, что неизбежно при других видах сварки, пайке или склеивании.

8. Применение вакуума позволяет получить соединение с минимальным содержанием вредных примесей, даже при сварке высокоактивных металлов.

9. Детали не коробятся, свойства металла в зоне соединения не изменяются, т.к. нагрев локален.

10. Сварка происходит при невысоких температурах и давлениях.

11. Не происходит выделение лучистой энергии, газов, мелкодисперсной пыли, что имеет место при сварке плавлением. Это очень важно для охраны здоровья человека.

Недостатки диффузионной сварки

1. Сложная и дорогая аппаратура.

2. Невысокая производительность из-за наличия таких операций, как вакуумирование камеры, нагрев деталей, выдержка для проведения диффузии.

3. У метода есть одно техническое условие: соединяемые поверхности должны быть идеально подогнаны друг к другу без малейших зазоров. Однако, как бы точно ни отливали заготовки, полного совпадения добиться практически невозможно. Шлифовка и полировка не гарантируют идеального совпадения деталей. Следовательно, необходим фрезерный станок с числовым программным управлением (ЧПУ) [27].

Мокуме

Способ диффузионной сварки может быть использован при изготовлении изделий в технике «мокуме». Мокуме – древняя японская техника обработки материалов, которая была изобретена мастерами, занимавшимися изготовлением холодного оружия, в переводе означает «металл с древесной текстурой».

С помощью мокуме можно получать изделия с интересными узорами на металле (рис. 2.8, 2.9).

Рис. 2.8. Узоры, получаемые на металле с помощью техники «мокуме»

Рис. 2.9. Ювелирные изделия,

выполненные с использованием техники «мокуме»

При этом процессе металлические пластины различных цветов укладываются слоями и надежно соединяются в единый блок (рис. 2.10), затем их обрабатывают таким образом, чтобы открылись небольшие участки поверхности каждого слоя. Если техника «мокуме» применяется в ювелирных изделиях, то рекомендуется использовать пластины толщиной 0,5–1,3 мм и не более 25 слоев (высота готового брикета не должна превышать максимальный развод валков имеющихся вальцов).

Рис. 2.10. Блок для мокуме из металлических пластин различных цветов

Металлы, используемые для мокуме, подразделяются на четыре основные группы: медь и ее сплавы, серебро и его сплавы, золото и его сплавы и металлы семейства платины. Соединять металлические пластины между собой можно двумя способами: с помощью диффузионной сварки и с помощью припоя.

Соединение с помощью диффузионной сварки. Контрастные по цвету металлы нарезают на небольшие прямоугольники одинаковой толщины и размера. Затем листы шлифуют порошком пемзы, тщательно очищают, промывают, слоями укладывают в брикет и прочно зажимают между двумя стальными пластинами.

При последующем нагреве листы в стопке расширяются, причем в большей степени, чем стальные листы, что дополнительно прижимает их друг к другу. Такая плотность сжатия не позволяет кислороду проникать к поверхности и обеспечивает интенсивную диффузию между листами. Нагрев брикета осуществляется в муфеле или в кузнечном горне до красного каления, после чего его вынимают из печи, слегка отстукивают и быстро освобождают от стальных пластин. Пока не исчезло красное свечение, брикет можно проковать для того, чтобы гарантированно обеспечить прочное прилегание листов друг к другу и диффузию.

Если все сделано правильно, то диффузия приводит к соединению, которое по прочности не уступает исходным материалам. Поэтому дальнейшие обработки и пайка ничего не нарушают. Абсолютная чистота и абсолютный контроль атмосферы вокруг металлов – необходимые условия для создания такого типа соединения.

Соединение с помощью припоя. Способ удобен, когда требуется небольшой лист мокуме. Контрастные по цвету металлы нарезают на небольшие прямоугольники одинаковой толщины и размера (для работы удобны листы размером 2,5 × 2,5 см). Затем их правят на плите, шлифуют порошком пемзы и обезжиривают спиртосодержащим растворителем. Лист припоя раскатывают или расплющивают молотком как можно тоньше и очищают так же. Затем нарезают на прямоугольники по размеру меньше, чем листы основного металла. Листы металла слегка отфлюсовывают с обеих сторон и складывают в блок, прокладывая между слоями листы припоя. Такой блок может содержать в среднем от 4 до 8 слоев, не считая припоя. Равномерно нагревают весь блок, пока не потечет припой. Затем блок охлаждают на воздухе, прокатывают до увеличения длины в 2 раза, разрезают пополам и снова спаивают по плоскости припоем с более низкой температурой плавления. Так, количество слоев увеличивается в 2 раза.

Так как спаять слои металлов вместе без газовых пузырьков и капель флюса между ними практически невозможно, большой проблемой является появление раковин между слоями, от которых очень трудно избавиться. Кроме того, физические свойства припоев таковы, что соединительный слой подвержен разрушению под силой механического воздействия, либо при пайке уже готового слоистого материала. Поэтому при изготовлении блока необходимо пользоваться только тугоплавкими припоями и свести пайку вокруг мокуме к минимуму. Однако этот процесс очень трудоемкий и не всегда приводит к желаемым результатам.

Для выявления многоцветных рисунков на поверхности блока используются следующие способы:

1. Слоистый блок выкладывают на поверхность средней твердости (например, мягкое дерево) и обрабатывают маленьким чеканом, делая лист бугристым. Бугорки можно делать одним или несколькими инструментами, располагая их беспорядочно или согласно задумке.

2. Слоистый блок сверлят на некоторую глубину (не насквозь!). Заострения на дне углубления скругляют сферическим бориком (если высота бугорка больше толщины листа, то на следующей стадии, когда бугорки будут сравнены, в этом месте появится отверстие).

Брикет с полученными углублениями прокатывают или проковывают, выявляя рисунок. Этот процесс можно повторить, усложняя узор. Используя вальцовку можно подчеркнуть ритмичность рисунка. Ковка создает свободный рисунок. По окончании лист шлифуют и полируют обычными средствами [28].