CN104096938A - 一种基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钎焊的金刚石表面活化工艺，包括以下步骤：根据金刚石工具制备要求确定金刚石活化指标；计算得出平均单颗金刚石表面需布单层活化金属颗粒的数量；根据金刚石工具制备要求，计算单颗金刚石表面活化金属配制质量；确定活化金属颗粒平均粒径；计算单颗金刚石保护材料的质量；将金刚石表面进行清洗；将制备好的活化金属与保护材料以及金刚石倒入一容器，并加入粘结剂，通过制粒工艺进行金刚石的表面包裹；将制备好的合乎要求的颗粒置于石英板或陶瓷板上放入真空钎焊炉中进行真空钎焊。本发明能够通过设计计算，精确地确定与控制金刚石表面活化效果，本发明制备工艺简单，质量稳定易控制，工序可标准化，适于工业化批量生产。

Description

一种基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺

技术领域：

本发明涉及一种基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其广泛应用于制备钎焊金刚石工具、电镀金刚石以及烧结金刚石工具等领域。

背景技术：

金刚石是目前已知材料中最硬的物质，由纯碳组成。金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，高温下不与浓氢氟酸、盐酸、硝酸作用，只在碳酸钠、硝酸钠、硝酸钾的熔融体中，或与重铬酸钾和硫酸的混合物一起煮沸时，表面会稍有氧化；在氧、一氧化碳、二氧化碳、氢、氯、甲烷的高温气体中腐蚀。由于金刚石硬且性质稳定，因此也就具有了许多重要的工业用途，如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模。还被作为很多精密仪器的部件。由于天然金刚石极为稀少，价格昂贵，应用于工业化生产的多为人造金刚石。

人造金刚石是用人工方法使非金刚石结构的石墨或气相碳原子发生相变转化而成的金刚石。通过工业化的生产制备，大幅降低了金刚石的成本，而且基本保持了金刚石的优异性能，因此目前在工业工具制备领域得到了广泛的应用。

但是由于金刚石的化学性质过于稳定，因此在对金刚石进行制备工具时便遇到了极大的困难。目前常用的制备金刚石工具主要有烧结金刚石工具、电镀金刚石工具以及钎焊金刚石工具三大类。这三种工具面临着金刚石活化的问题。这是由于烧结、电镀方式进行制备金刚石工具时，其结合金属与金刚石表面未有真正的化学反应，结合强度主要依靠机械的包埋、镶嵌，因此把持强度不够，这导致了两类工具的应用范围与深度受到了较大的限制。而钎焊金刚石工具中焊料金属虽然能与金刚石发生化学结合牢固把持，但由于金刚石完全暴露于焊料中，焊料与金刚石的活化反应过于剧烈，活性碳化物对金刚石表面产生过大的腐蚀，导致金刚石性能有较大降低。这是目前钎焊金刚石工具遇到的关键问题之一。

自20世纪80年代起国内对金刚石表面的活化展开了研究，林增栋教授率先进行了将碳化物形成元素利用电镀的方式镀覆在金刚石表面，并对金刚石的润湿性进地了系统研究，提出了金刚石表面金属化的理化模型，以此申请了专利《金刚石表面金属化的技术》(中国专利申请号85100286)。此后相关学者研究人员在此基础上进行了进一步的研究，并取得了一定的研究成果。由于此种方法是利用电镀的方式在金刚石表面进行镀覆金属元素，金属元素虽然能提高与结合的胎体的结合强度，但仍然无法达到与金刚石本身的牢固结合。

燕山大学利用真空微蒸发镀的方法在金刚石表面镀能与碳元素发生化学反应的钛、钨、铬等金属，希望通过表面的镀覆提高金刚石工具的性能。此方式能在金刚石高温热损伤中起到一定的保护作用，而且可以改善工具的结合性能，但由于碳化物形成元素与金刚石反应温度较高，金刚石表面所镀金属仍然未与金刚石发生真正的化学反应。这种方法的另一个不足在于由于金刚石与金属的热膨胀系数不同，当表面镀金属的金刚石工具进行高温烧结或者钎焊时，表层的金属膨胀系数大，金刚石膨胀系数小，在冷却的时候导致收缩不一致，造成金刚石表面的镀层剥落、分离现象，失去表面活性镀的功能。因此，能最终解决金刚石表面金属化问题的关键还是在于表层金属是否与金刚石发生了化学结合反应。

中国专利《一种金刚石表面金属化方法》(中国专利申请号：201110248781.2)中提出一种将金刚石与钎焊焊料混合然后进行加热使金刚石表面金属化的方法，此种方法虽然能得到一定厚度的金属层，而且在焊料体系得当的情况下金属层能够与金刚石发生化学结合，但由于金刚石与焊料结合为整体包裹，当焊料完全熔化后会将金刚石整体覆盖，复合体整体接近圆球状。金刚石的刃口变钝甚至消失，这样便会失去了金刚石的切削性能，某种程度上来说失去了金刚石表面金属化的意义。

此外，在进行金刚石表面金属化中，将金刚石表面进行包裹活性碳化物生成元素后，由于金属与碳元素可能发生一定的反应，熔化凝固后产生的巨大应力会对金刚石有压作用与拉作用。两种作用下金刚石的性能比如静压强度、冲击强度等关键参数指标大为降低，特别是在使用了如铬元素时。相关研究已有所报道。

因此为了恰当地实现金刚石表面的金属活化，并且达到可控的状态，即能够通过控制表面金属化元素的含量、成分、厚度、铺展面积等来达到使得金刚石表面在基本保证原始静压强度、冲击强度等指标的情况下，表面能够活化一层可控的活性层，以此应用于制备新型多层钎焊金刚石工具、新型烧结金刚石工具以及新型电镀金刚石工具等。相关研究尚未见诸专利或者报道。

发明内容：

本发明提供一种基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其能够通过设计计算，精确地确定与控制金刚石表面活化效果，并能够应用于钎焊单层工具、钎焊多层工具、烧结金刚石工具等多个领域。

本发明采用如下技术方案：一种基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其步骤如下：

第一步：根据金刚石工具制备要求确定金刚石活化指标，所述金刚石活化指标包括：活化层厚度w；活化后金刚石表面活化金属的分布面积系数k，k∈(0，1)；活化金属的成分；活化金属熔化的润湿角θ；

第二步：根据金刚石工具制备要求，计算得出平均单颗金刚石表面需布单层活化金属的数量n，由下式求得：

$n=k\·\frac{4R^2\tan {\mathrm{\θ}}^2}{w^2}$

计算时熔化后活化金属形状为圆锥形，金刚石为圆球形且半径为R；

第三步：根据金刚石工具制备要求，配制表面活化金属，平均单颗金刚石加入的活化金属的质量m通过下式来计算得出：

$m=\frac{{\mathrm{pn\πw}}^3}{3\tan {\mathrm{\θ}}^2}$

其中ρ为活化金属的平均密度；n为活化金属数目；

第四步：确定活化金属平均粒度半径r，r与活化层厚度w的关系可由以下公式求得：

$r=\sqrt[3]{\frac{w^3}{4\tan {\mathrm{\θ}}^2}}$

第五步：根据金刚石工具制备要求，配制保护材料，平均单颗金刚石保护材料的质量m1由下面公式可得：

$m_1={\mathrm{\ρ}}_1\·[\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{(R+r)}^3-\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{R}^3-n\·\frac{1}{3}\·\mathrm{\π}\·{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2\·w]$

其中ρ1为保护材料的平均密度；r为活化金属的平均粒度半径；

第六步：将金刚石表面进行清洗，去除杂质及油污；

第七步：将制备好的活化金属与保护材料以及金刚石倒入一容器，并加入粘结剂，通过制粒工艺进行金刚石的表面包裹；

第八步：将上述制备好的合乎要求的颗粒置于石英板或陶瓷板上放入真空钎焊炉中进行真空钎焊。

进一步地，所述活化金属是指在一定温度下能够与金刚石的碳元素发生化学反应，生成强碳化物的金属。

进一步地，所述保护材料是指与金刚石的碳元素不发生化学结合，且熔点高于活化金属的金属。

进一步地，所述其中金刚石表面清洗为超声波清洗，或者为化学药剂清洗。

进一步地，所述制粒工艺是指实现活化金属颗粒与保护材料的均匀混合并能够在金刚石表面均匀包裹的颗粒包裹制粒工艺。

进一步地，所述粘结剂是指将活化金属以及保护材料粘附固定于金刚石表面的材料。

本发明具有如下有益效果：

(1).基于钎焊原理对金刚石表面不仅进行了金属化，而且有了活化效果，提高了金刚石与结合金属的结合强度；

(2).可以做到精确控制活化效果，并可根据不同的应用要求设计制备不同效果的表面活化金刚石；

(3).扩大了金刚石工具的应用范围，不仅可以将金刚石表面活化应用于制备单层金刚石工具，还可以往多层金刚石工具延伸；

(4).本发明制备工艺简单，质量稳定易控制，工序可标准化，适于工业化批量生产，大量应用后将具有较高的经济效益；

(5).通过提供在表面可控钎焊活性金属的方法提高了金刚石的活性，改善了其与金属的结合性能，可显著提高金刚石工具的加工性能；

(6).利用本发明制备的工具可广泛应用于石材加工、金属或非金属加工，应用于应急救险、公共安全、精密以及超精密加工领域。

附图说明：

图1为活化金属熔化前后模型。

图2为钎焊前金刚石表面包裹模型。

图3为钎焊后金刚石表面活化效果。

其中：

1-熔化前活化金属颗粒形状；2-金刚石；3-熔化后活化金属颗粒形状；4-金刚石模型；5-保护材料；6-活化金属；7-熔化后的活化金属。

具体实施方式：

请参照图1至图3所示，本发明基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺的原理是在与金刚石反应的活化金属中加入与金刚石无实质化学反应的保护材料，通过控制加入的活化金属的成分、粒度、密度以及保护材料的粒度、密度来实现精确控制金刚石表面活化状态。为了达到精确控制效果，将表面活化金属粉末的形状表征为球形或近球形，如图1所示。在金刚石表面为单层包裹，单层包裹是指活化金属颗粒在金刚石表面的粘结是单层的。所加保护材料为与金刚石不发生化学反应的金属材料，且其熔化温度高于活化金属合金熔点。经过活化后，活化金属熔化形成表面活化层，保护材料与金刚石不反应，易去除，这样既可以保证金刚石表面活化效果，又能保证金刚石的刃口基本不被钝化，起到真正的表面活化效果，如图2、3所示。

本发明基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其步骤如下：

第一步：根据金刚石工具制备要求确定金刚石活化指标，所述金刚石活化指标包括：活化层厚度(即活化后的金属层厚度)w；活化后金刚石表面活化金属的分布面积系数k，由制备要求或经验确定，k∈(0，1)；活化金属的成分；活化金属熔化的润湿角θ；

第二步：根据金刚石工具制备要求，计算得出平均单颗金刚石表面需布单层活化金属的数量n，由下式求得：

$n=k\·\frac{4R^2\tan {\mathrm{\θ}}^2}{w^2}$

计算时将熔化后活化金属形状近似为圆锥形，金刚石近似为圆球形，半径为R；

第三步：根据金刚石工具制备要求，配制表面活化金属，活化金属为粉末合金，平均单颗金刚石加入的活化金属的质量m通过下式来计算得出：

$m=\frac{{\mathrm{pn\πw}}^3}{3\tan {\mathrm{\θ}}^2}$

其中ρ为活化金属的平均密度；n为活化金属数目；

第四步：确定活化金属平均粒度半径r，r与活化层厚度的关系可由以下公式求得：

$r=\sqrt[3]{\frac{w^3}{4\tan {\mathrm{\θ}}^2}}$

第五步：根据金刚石工具制备要求，配制保护材料，平均单颗金刚石保护材料的质量m1由下面公式可得：

$m_1={\mathrm{\ρ}}_1\·[\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{(R+r)}^3-\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{R}^3-n\·\frac{1}{3}\·\mathrm{\π}\·{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2\·w]$

其中ρ1为保护材料的平均密度；r为活化金属的平均粒度半径；

第六步：将金刚石表面进行清洗，去除杂质及油污，其中金刚石表面清洗可以是超声波清洗，也可以是化学药剂清洗；

第七步：将制备好的活化金属与保护材料以及金刚石倒入一容器，并加入粘结剂，通过制粒工艺进行金刚石的表面包裹，制粒工艺是指常规的颗粒包裹制粒工艺，可以实现活化金属颗粒与保护材料的均匀混合并能够在金刚石表面均匀包裹，粘结剂是指可以将活化金属以及保护材料粘附固定于金刚石表面的材料；

第八步：将上述制备好的合乎要求的颗粒置于石英板或陶瓷板上放入真空钎焊炉中进行真空钎焊。

其中活化金属是指在一定温度下能够与金刚石的碳元素发生化学反应，生成强碳化物的金属。活化金属可以是单一的强碳化物生成元素，如钛、铬、钨，也可以是几种元素混合形成的合金，如镍—铬合金、铜—锡—钛合金等。其中通过预合金法制备的合金活化金属对金刚石表面的钎焊性效果较好。其熔点区间稳定，性能较为可控。保护材料是指与金刚石的碳元素不发生化学结合，且熔点高于活化金属的金属。

活化金属粉末表征为球形或者近球形，其粒度大小r由金刚石表面金属化厚度w决定。将活化金属粉末做成球形是为了容易得到在金刚石表面的单层效果，有利于精确控制。当活化金属粉末高温熔化后，体积可视为基本不变，因此可以将单颗熔化后的活化金属看作圆锥形，如图1所示。并根据体积不变的关系计算出r

$\frac{4}{3}\mathrm{\π}{r}^3=\frac{1}{3}\mathrm{\π}{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2\·w$

整理得：

$r=\sqrt[3]{\frac{w^3}{4\tan {\mathrm{\θ}}^2}}$

其中θ为活化金属粉末熔化的润湿角，可由金属元素的初始成份来确定。

单颗金刚石表面所布活化金属粉末颗粒的数量可通过活化后金刚石表面活化金属的分布面积系数k计算。活化后单颗活化金属粉末颗粒熔化后可看作圆锥形，高近似为w，其在金刚石表面的铺展面积S为：

$S=\mathrm{\π}{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2$

金刚石表面整体看作球形，根据分布面积系数k,则有以下关系：

$4\mathrm{\π}{R}^2\·k=n\·\mathrm{\π}{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2$

其中n为单颗金刚石表面所分布的活化金属的颗粒数。则可求得n；

$n=k\·\frac{4\mathrm{\π}{R}^2}{\mathrm{\π}{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2}$

整理得：

$n=k\·\frac{4R^2\tan {\mathrm{\θ}}^2}{w^2}$

单颗金刚石表面活化金属的加入质量m可由下式求得：

$m=\mathrm{\ρ}\·n\·\frac{1}{3}\·\mathrm{\π}\·{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2\·w$

其中ρ为活化金属的平均密度；整理得：

$m=\frac{{\mathrm{pn\πw}}^3}{3\tan {\mathrm{\θ}}^2}$

单颗金刚石表面所加入的保护材料的质量m₁可先计算得出保护材料所占据的体积，然后再求得：

$m_1={\mathrm{\ρ}}_1\·[\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{(R+r)}^3-\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{R}^3-n\·\frac{1}{3}\·\mathrm{\π}\·{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2\·w]$

通过制粒工艺进行制备时可以是手工方法制备，也可以是通过制粒设备进行制备。其根本原理是利用金刚石表面的粘结剂的粘性在滚动中粘附均匀混合的活化金属与保护材料，而且由于活化金属是颗粒圆球状，经过不断撞击滚动，便可以得到单层包裹的金刚石表面活化金属层。

下面通过一个实施例具体说明本发明基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺。

制备一款规格为115mm的烧结金刚石锯片，用以切割钢筋混凝土。其根据切割要求制备表面活化的金刚石的具体实施步骤为：

第一步：由于烧结锯片适合于切割石材，而对钢筋的适应性较差，因此为了提高金刚石的把持强度，并结合常用的切割钢筋混凝土烧结胎体，确定利用铜锡钛合金对粒度为40目的金刚石表面进行活化，活化层厚度为20μm，铜锡钛合金的润湿角经测定为15度，铜-锡-钛含量百分比为：铜60％，锡26％，钛14％,密度为8.0g/mm³，分布面积系数k取0.5；

第二步，根据制备要求，计算得出平均单颗金刚石表面需布单层活化金属合金的数量n,由下式求得。

$n=k\·\frac{4R^2\tan {\mathrm{\θ}}^2}{w^2}$

代入数据求得n＝14.4，取15；

第三步：根据制备要求，配制表面活化金属，活化金属为粉末合金，平均单颗金刚石加入的活化金属的质量m通过下式来计算得出：

$m=\frac{{\mathrm{pn\πw}}^3}{3\tan {\mathrm{\θ}}^2}$

代入数据求得m＝0.014g；

第四步：确定活化金属合金平均粒径，r与活化层厚度的关系可由以下公式求得：

$r=\sqrt[3]{\frac{w^3}{4\tan {\mathrm{\θ}}^2}}$

代入数据求得r＝0.03mm；

第五步：根据备要求，配制保护材料，保护材料选用纯镍粉末，密度为8.9g/mm³，平均单颗金刚石保护材料的质量m1由下面公式可得：

$m_1={\mathrm{\ρ}}_1\·[\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{(R+r)}^3-\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{R}^3-n\·\frac{1}{3}\·\mathrm{\π}\·{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2\·w]$

代入数据求得m₂＝0.016g；

第六步：将金刚石表面进行清洗，去除杂质及油污；

第七步：按照上述质量比将制备好的活化金属合金与保护材料以及金刚石倒入一容器，并加入液体石蜡，通过制粒工艺进行金刚石的表面包裹；

第八步：将制备好的合乎要求的颗粒置于石英板或陶瓷板上放入真空钎焊炉中进行真空钎焊，钎焊温度920度，保温15min。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其特征在于：步骤如下

第一步：根据金刚石工具制备要求确定金刚石活化指标，所述金刚石活化指标包括：活化层厚度w；活化后金刚石表面活化金属的分布面积系数k，k∈(0，1)；活化金属的成分；活化金属熔化的润湿角θ；

第二步：根据金刚石工具制备要求，计算得出平均单颗金刚石表面需布单层活化金属的数量n，由下式求得：

$n=k\·\frac{4R^2\tan {\mathrm{\θ}}^2}{w^2}$

计算时熔化后活化金属形状为圆锥形，金刚石为圆球形且半径为R；

第三步：根据金刚石工具制备要求，配制表面活化金属，平均单颗金刚石加入的活化金属的质量m通过下式来计算得出：

$m=\frac{{\mathrm{pn\πw}}^3}{3\tan {\mathrm{\θ}}^2}$

其中ρ为活化金属的平均密度；n为活化金属数目；

第四步：确定活化金属平均粒度半径r，r与活化层厚度w的关系可由以下公式求得：

$r=\sqrt[3]{\frac{w^3}{4\tan {\mathrm{\θ}}^2}}$

第五步：根据金刚石工具制备要求，配制保护材料，平均单颗金刚石保护材料的质量m1由下面公式可得：

$m_1={\mathrm{\ρ}}_1\·[\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{(R+r)}^3-\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}{R}^3-n\·\frac{1}{3}\·\mathrm{\π}\·{\left(\frac{w}{\tan \mathrm{\θ}}\right)}^2\·w]$

其中ρ1为保护材料的平均密度；r为活化金属的平均粒度半径；

第六步：将金刚石表面进行清洗，去除杂质及油污；

第七步：将制备好的活化金属与保护材料以及金刚石倒入一容器，并加入粘结剂，通过制粒工艺进行金刚石的表面包裹；

第八步：将上述制备好的合乎要求的颗粒置于石英板或陶瓷板上放入真空钎焊炉中进行真空钎焊。

2.如权利要求1所述的基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其特征在于：所述活化金属是指在一定温度下能够与金刚石的碳元素发生化学反应，生成强碳化物的金属。

3.如权利要求1所述的基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其特征在于：所述保护材料是指与金刚石的碳元素不发生化学结合，且熔点高于活化金属的金属。

4.如权利要求2或3所述的基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其特征在于：所述其中金刚石表面清洗为超声波清洗，或者为化学药剂清洗。

5.如权利要求4所述的基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其特征在于：所述制粒工艺是指实现活化金属颗粒与保护材料的均匀混合并能够在金刚石表面均匀包裹的颗粒包裹制粒工艺。

6.如权利要求5所述的基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺，其特征在于：所述粘结剂是指将活化金属以及保护材料粘附固定于金刚石表面的材料。