(1) Caractéristiques du brasage : les problèmes liés au brasage du graphite et du diamant polycristallin sont très similaires à ceux rencontrés lors du brasage de la céramique. Comparée au métal, la brasure mouille difficilement le graphite et le diamant polycristallin, et son coefficient de dilatation thermique est très différent de celui des matériaux de structure courants. Chauffés directement à l'air, ces matériaux s'oxydent ou se carbonisent lorsque la température dépasse 400 °C. Par conséquent, le brasage sous vide est indispensable, avec un niveau de vide minimal de 10⁻¹ Pa. La faible résistance de ces matériaux les rend vulnérables aux contraintes thermiques pendant le brasage, pouvant entraîner des fissures. Il est donc recommandé de choisir un métal d'apport à faible coefficient de dilatation thermique et de contrôler rigoureusement la vitesse de refroidissement. Étant donné que la surface de ces matériaux n'est pas facile à mouiller par les métaux d'apport de brasage ordinaires, une couche de 2,5 à 12,5 µm d'épaisseur de W, Mo et autres éléments peut être déposée sur la surface des matériaux polycristallins en graphite et en diamant par modification de surface (revêtement sous vide, pulvérisation ionique, projection plasma et autres méthodes) avant le brasage et former des carbures correspondants avec eux, ou des métaux d'apport de brasage à haute activité peuvent être utilisés.
Le graphite et le diamant se déclinent en de nombreuses qualités, qui diffèrent par la taille des particules, la densité, la pureté et d'autres caractéristiques, et présentent des propriétés de brasage différentes. De plus, si la température des matériaux diamantaires polycristallins dépasse 1 000 °C, leur taux d'usure commence à diminuer, et cette diminution dépasse 50 % lorsque la température excède 1 200 °C. Par conséquent, lors du brasage sous vide du diamant, la température de brasage doit être maintenue en dessous de 1 200 °C et le niveau de vide ne doit pas être inférieur à 5 × 10⁻² Pa.
(2) Le choix du métal d'apport pour le brasage dépend principalement de l'utilisation et du traitement de surface. Pour les matériaux réfractaires, on privilégie un métal d'apport à haute température de brasage et bonne résistance thermique. Pour les matériaux résistants à la corrosion chimique, on choisit un métal d'apport à basse température de brasage et bonne résistance à la corrosion. Après métallisation de surface du graphite, on peut utiliser une brasure au cuivre pur, à haute ductilité et bonne résistance à la corrosion. Les brasures actives à base d'argent et de cuivre présentent une bonne mouillabilité et fluidité sur le graphite et le diamant, mais la température de service du joint brasé dépasse rarement 400 °C. Pour les composants en graphite et les outils diamantés utilisés entre 400 °C et 800 °C, on utilise généralement des métaux d'apport à base d'or, de palladium, de manganèse ou de titane. Pour les joints utilisés entre 800 °C et 1000 °C, on utilise des métaux d'apport à base de nickel ou de particules de forage. Lorsque des composants en graphite sont utilisés au-dessus de 1000 ℃, des métaux d'apport en métal pur (Ni, PD, Ti) ou des métaux d'apport en alliage contenant du molybdène, du Mo, du Ta et d'autres éléments pouvant former des carbures avec le carbone peuvent être utilisés.
Pour le graphite ou le diamant sans traitement de surface, les métaux d'apport actifs du tableau 16 peuvent être utilisés pour le brasage direct. La plupart de ces métaux d'apport sont des alliages binaires ou ternaires à base de titane. Le titane pur réagit fortement avec le graphite, formant une couche de carbure très épaisse. Son coefficient de dilatation linéaire étant très différent de celui du graphite, il est sujet aux fissures et ne peut donc pas être utilisé comme brasure. L'ajout de chrome et de nickel au titane permet d'abaisser son point de fusion et d'améliorer son mouillage sur les céramiques. Le titane est un alliage ternaire, principalement composé de Ti₃Zr, auquel on ajoute du T₂A, du niobium et d'autres éléments. Son faible coefficient de dilatation linéaire permet de réduire les contraintes de brasage. L'alliage ternaire principalement composé de Ti₃Cu est adapté au brasage du graphite et de l'acier, et le joint obtenu présente une haute résistance à la corrosion.
Tableau 16 : métaux d’apport pour le brasage direct du graphite et du diamant
(3) Procédé de brasage : les méthodes de brasage du graphite se divisent en deux catégories : le brasage après métallisation de surface et le brasage sans traitement de surface. Quelle que soit la méthode employée, l’assemblage doit être prétraité et les contaminants de surface du graphite doivent être éliminés par nettoyage à l’alcool ou à l’acétone. Dans le cas du brasage après métallisation de surface, une couche de Ni, Cu, Ti, Zr ou de disiliciure de molybdène est déposée sur la surface du graphite par projection plasma, puis un métal d’apport à base de cuivre ou d’argent est utilisé pour le brasage. Le brasage direct avec brasure active est actuellement la méthode la plus répandue. La température de brasage est choisie en fonction de la brasure indiquée dans le tableau 16. La brasure peut être appliquée au milieu du joint brasé ou près d’une extrémité. Lors du brasage d’un métal à fort coefficient de dilatation thermique, une couche tampon intermédiaire de Mo ou de Ti d’une certaine épaisseur peut être utilisée. La couche de transition peut subir une déformation plastique lors du brasage, absorber les contraintes thermiques et éviter la fissuration du graphite. Par exemple, le molybdène (Mo) est utilisé comme couche de transition pour le brasage sous vide de composants en graphite et en Hastelloy. On utilise une brasure B-PD60Ni35Cr5 présentant une bonne résistance à la corrosion par les sels fondus et aux radiations. La température de brasage est de 1260 °C et maintenue pendant 10 minutes.
Le diamant naturel peut être brasé directement avec des brasures actives telles que B-AG68.8Cu16.7Ti4.5 et B-AG66Cu26Ti8. Le brasage doit être réalisé sous vide ou sous faible atmosphère d'argon. La température de brasage ne doit pas dépasser 850 °C et une vitesse de chauffage rapide est recommandée. Le temps de maintien à la température de brasage ne doit pas être trop long (généralement une dizaine de secondes) afin d'éviter la formation d'une couche continue de diamant à l'interface. Lors du brasage du diamant et de l'acier allié, une couche intermédiaire en plastique ou en alliage à faible dilatation doit être ajoutée pour assurer la transition et prévenir la dégradation des grains de diamant due à des contraintes thermiques excessives. Les outils de tournage ou d'alésage pour l'usinage de très haute précision sont fabriqués par brasage, un procédé qui consiste à braser 20 à 100 mg de particules de diamant sur le corps en acier. La résistance de la liaison brasée atteint 200 à 250 MPa.
Le diamant polycristallin peut être brasé à la flamme, à haute fréquence ou sous vide. Le brasage à haute fréquence ou à la flamme est recommandé pour la coupe de métaux ou de pierres par les lames de scies circulaires diamantées. Un métal d'apport actif Ag-Cu-Ti à bas point de fusion doit être utilisé. La température de brasage doit être maintenue en dessous de 850 °C, la durée de chauffe doit être courte et le refroidissement lent. Les trépans en diamant polycristallin utilisés pour le forage pétrolier et géologique sont soumis à des conditions de travail difficiles et à des chocs importants. Un métal d'apport à base de nickel peut être utilisé, et une feuille de cuivre pur peut servir d'intercalaire pour le brasage sous vide. Par exemple, 350 à 400 capsules de diamant polycristallin colonnaire de 4,5 à 4,5 mm de diamètre sont brasées dans les perforations d'un acier 35CrMo ou 40CrNiMo pour former les dents de coupe. Le brasage sous vide est utilisé, avec un niveau de vide d'au moins 5 × 10⁻² Pa, une température de brasage de 1020 ± 5 °C, un temps de maintien de 20 ± 2 min et une résistance au cisaillement du joint brasé supérieure à 200 MPa.
Lors du brasage, le poids propre de l'assemblage soudé doit être utilisé autant que possible pour le montage et le positionnement, afin que la pièce métallique exerce une pression sur le graphite ou le matériau polycristallin dans sa partie supérieure. Si un gabarit est utilisé pour le positionnement, le matériau de ce gabarit doit présenter un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de l'assemblage soudé.
Date de publication : 13 juin 2022