[發明專利]一種基于釬焊方式的金剛石表面活化工藝

有效

• 申請號: 201410283826.3
• 申請日: 2014-06-23
• 公開（公告）號: CN104096938A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發明（設計）人: 肖冰;王波;張子煜;段端志
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23K1/00
• 分類號: B23K1/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域：

本發明涉及一種基于釬焊方式的金剛石表面活化工藝，其廣泛應用于制備釬焊金剛石工具、電鍍金剛石以及燒結金剛石工具等領域。

背景技術：

金剛石是目前已知材料中最硬的物質，由純碳組成。金剛石化學性質穩定，具有耐酸性和耐堿性，高溫下不與濃氫氟酸、鹽酸、硝酸作用，只在碳酸鈉、硝酸鈉、硝酸鉀的熔融體中，或與重鉻酸鉀和硫酸的混合物一起煮沸時，表面會稍有氧化；在氧、一氧化碳、二氧化碳、氫、氯、甲烷的高溫氣體中腐蝕。由于金剛石硬且性質穩定，因此也就具有了許多重要的工業用途，如精細研磨材料、高硬切割工具、各類鉆頭、拉絲模。還被作為很多精密儀器的部件。由于天然金剛石極為稀少，價格昂貴，應用于工業化生產的多為人造金剛石。

人造金剛石是用人工方法使非金剛石結構的石墨或氣相碳原子發生相變轉化而成的金剛石。通過工業化的生產制備，大幅降低了金剛石的成本，而且基本保持了金剛石的優異性能，因此目前在工業工具制備領域得到了廣泛的應用。

但是由于金剛石的化學性質過于穩定，因此在對金剛石進行制備工具時便遇到了極大的困難。目前常用的制備金剛石工具主要有燒結金剛石工具、電鍍金剛石工具以及釬焊金剛石工具三大類。這三種工具面臨著金剛石活化的問題。這是由于燒結、電鍍方式進行制備金剛石工具時，其結合金屬與金剛石表面未有真正的化學反應，結合強度主要依靠機械的包埋、鑲嵌，因此把持強度不夠，這導致了兩類工具的應用范圍與深度受到了較大的限制。而釬焊金剛石工具中焊料金屬雖然能與金剛石發生化學結合牢固把持，但由于金剛石完全暴露于焊料中，焊料與金剛石的活化反應過于劇烈，活性碳化物對金剛石表面產生過大的腐蝕，導致金剛石性能有較大降低。這是目前釬焊金剛石工具遇到的關鍵問題之一。

自20世紀80年代起國內對金剛石表面的活化展開了研究，林增棟教授率先進行了將碳化物形成元素利用電鍍的方式鍍覆在金剛石表面，并對金剛石的潤濕性進地了系統研究，提出了金剛石表面金屬化的理化模型，以此申請了專利《金剛石表面金屬化的技術》(中國專利申請號85100286)。此后相關學者研究人員在此基礎上進行了進一步的研究，并取得了一定的研究成果。由于此種方法是利用電鍍的方式在金剛石表面進行鍍覆金屬元素，金屬元素雖然能提高與結合的胎體的結合強度，但仍然無法達到與金剛石本身的牢固結合。

燕山大學利用真空微蒸發鍍的方法在金剛石表面鍍能與碳元素發生化學反應的鈦、鎢、鉻等金屬，希望通過表面的鍍覆提高金剛石工具的性能。此方式能在金剛石高溫熱損傷中起到一定的保護作用，而且可以改善工具的結合性能，但由于碳化物形成元素與金剛石反應溫度較高，金剛石表面所鍍金屬仍然未與金剛石發生真正的化學反應。這種方法的另一個不足在于由于金剛石與金屬的熱膨脹系數不同，當表面鍍金屬的金剛石工具進行高溫燒結或者釬焊時，表層的金屬膨脹系數大，金剛石膨脹系數小，在冷卻的時候導致收縮不一致，造成金剛石表面的鍍層剝落、分離現象，失去表面活性鍍的功能。因此，能最終解決金剛石表面金屬化問題的關鍵還是在于表層金屬是否與金剛石發生了化學結合反應。

中國專利《一種金剛石表面金屬化方法》(中國專利申請號：201110248781.2)中提出一種將金剛石與釬焊焊料混合然后進行加熱使金剛石表面金屬化的方法，此種方法雖然能得到一定厚度的金屬層，而且在焊料體系得當的情況下金屬層能夠與金剛石發生化學結合，但由于金剛石與焊料結合為整體包裹，當焊料完全熔化后會將金剛石整體覆蓋，復合體整體接近圓球狀。金剛石的刃口變鈍甚至消失，這樣便會失去了金剛石的切削性能，某種程度上來說失去了金剛石表面金屬化的意義。

此外，在進行金剛石表面金屬化中，將金剛石表面進行包裹活性碳化物生成元素后，由于金屬與碳元素可能發生一定的反應，熔化凝固后產生的巨大應力會對金剛石有壓作用與拉作用。兩種作用下金剛石的性能比如靜壓強度、沖擊強度等關鍵參數指標大為降低，特別是在使用了如鉻元素時。相關研究已有所報道。

因此為了恰當地實現金剛石表面的金屬活化，并且達到可控的狀態，即能夠通過控制表面金屬化元素的含量、成分、厚度、鋪展面積等來達到使得金剛石表面在基本保證原始靜壓強度、沖擊強度等指標的情況下，表面能夠活化一層可控的活性層，以此應用于制備新型多層釬焊金剛石工具、新型燒結金剛石工具以及新型電鍍金剛石工具等。相關研究尚未見諸專利或者報道。

發明內容：

本發明提供一種基于釬焊方式的金剛石表面活化工藝，其能夠通過設計計算，精確地確定與控制金剛石表面活化效果，并能夠應用于釬焊單層工具、釬焊多層工具、燒結金剛石工具等多個領域。