專利名稱:焊接型合成金剛石聚晶復(fù)合體及其制法的制作方法
本發(fā)明屬于超硬復(fù)合材料的技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及金剛石復(fù)合材料的技術(shù)領(lǐng)域：
。
目前，大部分人造金剛石聚晶復(fù)合材料是采用直接復(fù)合的方法制備的，通常有兩種類型的產(chǎn)品，一種是生長型多晶金剛石復(fù)合體，其制法是將石墨原料(或加少量金剛石細(xì)粉)及觸媒混合后置于硬質(zhì)合金基底上，在金剛石合成所需的壓力，溫度條件下制成多晶金剛石復(fù)合體;另一種是燒結(jié)型多晶金剛石復(fù)合體，其制法是將金剛石粉和粘結(jié)劑金屬粉混合后置于硬質(zhì)合金基底上，在超高溫高壓下燒結(jié)復(fù)合而成。這兩種產(chǎn)品的共同缺點都是在進(jìn)一步制作鉆具或刀具時，不能經(jīng)受高溫焊接，而必須將焊接溫度限制在750℃以下。這是因為硬質(zhì)合金和金剛石聚晶體在熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)上差別很大，使得所形成的復(fù)合體的復(fù)合界面不耐高溫，若經(jīng)受750℃以上地高溫，復(fù)合體將可能受到損害，甚至可能造成硬質(zhì)合金與金剛石聚晶體之間解體。這兩種產(chǎn)品在制造時的缺點是硬質(zhì)合金占了高壓腔的很多空間而影響生產(chǎn)量，同時，硬質(zhì)合金在高壓下往往可能產(chǎn)生微裂紋而使復(fù)合體報廢，使成品率降低。
為了克服上述產(chǎn)品及其制法上存在的缺點，我們發(fā)明了一種真空焊接型的合成金剛石聚晶復(fù)合產(chǎn)品及其制造方法。
雖然中國發(fā)明專利公報公開了CNGK85100739“新型人造金剛石聚晶-硬質(zhì)材料復(fù)合齒”，但其說明書沒有公開任何技術(shù)實質(zhì)內(nèi)容，美國專利USP NO 4063909，也介紹了聚晶金剛石和硬質(zhì)合金焊接的技術(shù)，但也是采用高溫高壓焊接料焊接，與直接復(fù)合的產(chǎn)品及方法存在類似的缺點，它介紹的另一種方法是制造帶有焊料層薄膜的金剛石聚晶體，并未形成完整的復(fù)合體，盡管這種產(chǎn)品容易與其它金屬基體焊接成工具，但在另外一些場合卻不適宜使用，同時真空鍍膜技術(shù)比直接焊接成復(fù)合體成本要高，技術(shù)也要復(fù)雜些。
本發(fā)明是采取適合于焊接工藝要求的金剛石聚晶體，利用組合金屬焊料，在真空條件下直接形成產(chǎn)品。制備這種產(chǎn)品的方法，在同行業(yè)中未見先例，無論是聚晶體的組成、焊料的形式及其組合方法、還是焊接工藝都具有明顯的特點。
本發(fā)明的產(chǎn)品是由合成金剛石聚晶層，組合焊料層及硬質(zhì)合金層組成，組合焊料的焊接溫度比較低，但焊接完成后，所形成的焊料層的重熔溫度卻大大提高，甚至在1200℃仍不被熔化，有利于高溫下的進(jìn)一步焊接，制作成各種工具。同時，對這組合焊料層，其膨脹系數(shù)界于合成金剛石聚晶體與硬質(zhì)合金之間，形成了兩層主材料之間膨脹系數(shù)的過渡層，相應(yīng)提高了復(fù)合體成份之間膨脹系數(shù)的匹配程度，以致在進(jìn)一步焊接中，可承受750℃以上，甚至1200℃的焊接溫度而幾乎不受損壞。所以，本發(fā)明的產(chǎn)品有廣泛的用途，也適應(yīng)于多種再焊接的工藝，甚至采用接近1200℃的燒結(jié)焊接也可以。本品品的焊接強(qiáng)度高，焊接面之間的平均剪切強(qiáng)度超過15kg/mm，由于聚晶體的組成中綜合考慮了其硬度和韌性，所以產(chǎn)品用于制作地質(zhì)鉆頭，尤其是膏系地質(zhì)鉆頭的削具特別合適。
本發(fā)明產(chǎn)品的合成金剛石聚晶層是由85～88%的各種粒度的人造金剛石和大于12%的粘結(jié)劑組成。人造金剛石粒度配比和粘結(jié)劑的組成如表1所示
表1 合成金剛石聚晶層的組成
本發(fā)明產(chǎn)品的焊接層是由組合焊料經(jīng)焊接處理后形成的，組合焊料是由鈦薄膜或釩薄膜和銀銅合金薄膜組合使用，焊接完成后，焊接層形成TiAgCu或VAgCu，當(dāng)然在聚晶層相接的界面上也生成CTiAgCu或CVAgCu，因為在焊接過程中金剛石中的C與Ti或V作用生成TiC或VC薄膜，這將使復(fù)合體的焊接強(qiáng)度提高。一般地說組合焊料中的各種薄膜，其厚度是可以嚴(yán)格控制的，銀銅合金焊料薄膜不僅可控制其厚度，也可選擇Ag與Cu的不同比例。本發(fā)明所選用的鈦薄膜或釩薄膜，厚度一般在0.04～0.008mm之間，AgCu合金薄膜中的銀和銅的比例可以是10∶90到72∶28的重量百分比，其厚度一般在0.05～0.2mm之間。在焊接層中鈦或釩的含量最高可達(dá)20%，它的量的控制可用Ti和V薄膜的厚度及使用的層數(shù)來控制，焊接層厚度一般小于0.5mm。復(fù)合體一般制成園柱形，其直徑在φ6～φ14mm的范圍內(nèi)，厚度視硬質(zhì)合金襯底材料的厚度而定，合成金剛石聚晶層通常在0.5～2.5mm之間，硬質(zhì)合金襯底的厚度在3～12mm之間，可根據(jù)實際需要確定。所制造的復(fù)合體可根據(jù)需要切割成不同的形狀以適用具體的用途，如附圖1所示，是經(jīng)過切割加工成扇形的零件，(1)表示合成金剛石聚晶層，(2)表示焊接層，(3)表示硬質(zhì)合金層。本發(fā)明產(chǎn)品的制造方法包括適合于真空釬焊要求的合成金剛石聚晶體的制造及聚晶體和硬質(zhì)合金的真空釬焊技術(shù)。聚晶體的組成應(yīng)符合上述表1所列的要求，聚晶工藝是按照公知的技術(shù)進(jìn)行的。在對聚晶體和硬質(zhì)合金釬焊前，應(yīng)當(dāng)按照真空釬焊的一般規(guī)程作好各項準(zhǔn)備工作，諸如被焊料的清洗除污，硬質(zhì)合金襯底的質(zhì)量檢查，特別是硬質(zhì)合金被焊端面的平整度的檢查，被焊端面越平越好，最好能把不平整度控制在0.05mm以下，無論如何不得超過0.1mm。采取真空焊接，一方面是為了保護(hù)金剛石顆粒及焊接金屬不在焊接溫度下被空氣所氧化，另一個目的是能有效地排除粘附在金剛石聚晶體的毛細(xì)通道或微細(xì)孔洞中的空氣，有利于焊料的滲透，提高焊接強(qiáng)度。當(dāng)然，采用惰性氣氛保護(hù)焊接也可以，諸如在N2、He氣均可，但效果不如真空條件佳。
焊接時，將組合焊料薄膜置于合成金剛石聚晶體和硬質(zhì)合金之間，在焊接過程中，各薄膜焊料的合金化及焊接完成在同一過程中進(jìn)行，焊片放置順序是Ti(V)-AgCu-Ti(V)-AgCu，和Ti(V)緊接的是聚晶片，和AgCu緊接的是硬質(zhì)合金基片，焊接層的數(shù)量可視情況增加，但至少應(yīng)有上述的層數(shù)。附圖2是焊料組合示意，(1)是合成金剛石聚晶片，(2)(4)是鈦薄膜或釩薄膜，(3)(5)是AgCu焊片，(6)是硬質(zhì)合金襯底。將組裝好的被焊物按圖3的示意裝卡好并置于真空爐中，抽真空至10-4乇以上的真空度，然后以5～15℃/分的速率升溫，溫度范圍可根據(jù)實際需要確定，組合焊料片的組合條件不同，其溫度范圍可在780℃～950℃之間變化。升溫至確定的溫度并保持至少15分鐘，一般在45分鐘以內(nèi)。然后以5～15℃/分的速率降溫至室溫，在整個焊接過程中都應(yīng)保持所要求的真空度，當(dāng)然在降溫過程中，在確保被焊物沒有被氧化的威協(xié)條件下，也可提前解除真空狀態(tài)。
本產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，表面上看起來，比一次超高壓高溫聚合復(fù)合而成的產(chǎn)品，工藝要復(fù)雜，步驟要多，周期要長，但實際上，所獲得之產(chǎn)品不僅克服了過去制法所得產(chǎn)品的諸項缺點，而且對生產(chǎn)率的提高發(fā)揮了主要的作用。因為使用這種方法，在制備聚晶體時，一次可生產(chǎn)二片，且成品率又高，在焊接時，真空爐內(nèi)一次可焊接若干片，生產(chǎn)量大為提高。
下面所提供的實施例，可進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容、實例所提出的具體參數(shù)只是上述各工藝條件的更具體化，而不是限制本發(fā)明的范圍。
實例一
按照表2組成金剛石及粘結(jié)劑材料的混合物，并充分混勻，根據(jù)所需聚晶要求的厚度和直徑，準(zhǔn)確稱取每片的份量，然后在真空爐中進(jìn)行凈化處理，處理過的混合料裝入公知的高壓容器中，按公知的高溫高壓條件壓制成1mm的聚晶片。
表2 聚晶片的金剛石和粘結(jié)劑組成
將制成的聚晶片用高氯酸處理除去石墨等雜質(zhì)，洗凈烘干，將欲焊接接的硬質(zhì)合金片磨平到符合焊接要求并清洗于凈烘干，將焊料薄膜AgCu28，0.1mm及Ti0.008mm沖制成適用的園片洗凈烘干，按圖2的形式組裝在一起，然后按圖3的示意裝卡好，置于真空爐中進(jìn)行焊接。圖3中的1是固定螺釘，2是壓塊，3是按圖2組裝的被焊接件，4是石墨板5是底板。
焊接條件是先抽真空至10-4乇以上然后以15℃/min的升溫速率升溫至830℃，保溫30分鐘，然后以15℃/min的速率降溫至室溫即可取出產(chǎn)品。
實例二
按照表3所列的金剛石粉和粘結(jié)劑組成與例1相同的步驟制成2mm厚金剛石聚晶片，然后按例1所列的步驟，用AgCu50焊片取代AgCu28，用V0.004mm取代Ti0.008mm薄膜，然后按圖2和圖3的方式組裝及裝卡，進(jìn)入真空爐中釬焊，釬焊條件是抽真空至10-4乇以上，然后以5℃/min速率升溫至950℃保持45分鐘，然后以5℃/min速率降溫至室溫即可取出產(chǎn)品。
表3 金剛石粉和粘結(jié)劑的組成
＊系按照J(rèn)B1182-71標(biāo)準(zhǔn)量度。
權(quán)利要求
1、一種焊接型合成金剛石聚晶復(fù)合體，由合成金剛石聚晶片層、焊料層和硬質(zhì)合金層組成，其特征在于
a、所說的合成金剛石聚晶片的組成如下
金剛石粉在85～88%之間，粘結(jié)劑成分為Si、Ti、Ni混合總量在12～15%之間；
b、所說的焊料層是由AgCu合金焊片和Ti薄膜或V薄膜組合而成，經(jīng)真空焊接過程后形成TiAgCu或VAgCu焊料層，焊層厚度小于0.5mm；
2、按權(quán)利要求
1所規(guī)定的產(chǎn)品，其特征在于所說的合成金剛石聚晶片的金剛石粉和粘結(jié)劑的成份百分重量組成是120＃金剛石粉≤20%、180?！?1%、240＃粉≤23%、320＃粉≤24%，粘結(jié)劑的百分組成是≤300＃的Si粉9～11%，Ni粉1.5～2.5%Ti粉0.5～1.5%。
3、按照權(quán)利要求
2所規(guī)定的合成金剛石聚晶片，其特征在于厚度為0.5～2.5mm，直徑在φ6～φ14mm。
4、一種焊接型合成金剛石聚晶復(fù)合體的制造方法，預(yù)先將金剛石粉和粘結(jié)劑粉均勻混合，經(jīng)凈化處理后在高溫高壓條件下制備成合金金剛石聚晶片，然后將聚晶片和硬質(zhì)合金基片通過真空釬焊制成合成金剛石聚晶復(fù)合體，其特征在于
a、所說的合成金剛石聚晶片制備時金剛石粉和粘結(jié)劑成份按表1組成
表1
b、所說的真空釬焊所使用的焊料是一種金屬薄膜的組合焊料，它們是由AgCu焊片和Ti薄膜或V薄膜組成;組合焊料在焊接過程中，合金化和焊接同時完成。
c、所說的真空釬焊要求10-4乇以上的真空條件，焊接溫度在780°～950℃之間，升降溫速率為5°～15℃/分鐘，焊接維持時間至少15分鐘;
5、按照權(quán)利要求
4所規(guī)定的方法，其特征在于所說的組合焊料的金屬薄膜Ti或V是0.008～0.04mm厚，AgCu合金片的厚度在0.05～0.2mm，Ag∶Cu從10∶90～72∶28，各片組合順序是Ti或V-AgCu-Ti或V-AgCu兩頭分別是合金金剛石聚晶片和硬質(zhì)合金基片，組合焊料薄膜的層數(shù)及其每片厚度視對焊接要求而定，但至少應(yīng)包括如下順序的四層Ti(V)-AgCu-Ti(V)-AgCu。
專利摘要
本發(fā)明涉及合成金剛石聚晶復(fù)合材料的技術(shù)領(lǐng)域：
。提供了焊接型合成金剛石聚晶復(fù)合體的組成、性能、合成金剛石聚晶片的配方及制造焊接型合成金剛石聚晶復(fù)合體的方法。用于復(fù)合體的聚晶層的金剛石粉的粒度范圍是120#、180#、240#和320#，百分組成是85～88％，粘結(jié)劑成分是Si、Ti、Ni，其總量為12～15％，采用的組合金屬焊料薄膜為Ag、Cu、Ti、V，釬焊真空度10-4乇以上，焊接溫度780℃～950℃，焊接時間至少15分鐘。
文檔編號B23P5/00GK87101453SQ87101453
公開日1988年6月15日 申請日期1987年11月28日
發(fā)明者張紅武, 王永杰, 王宗烈, 胡本權(quán), 張愛華, 劉淑貞, 潘文山 申請人:國家建筑材料工業(yè)局人工晶體研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan