TWI617396B

TWI617396B - 矽聚晶燒結物件及其製造方法

Info

Publication number: TWI617396B
Application number: TW105131097A
Authority: TW
Inventors: 陳偉恩; 林雅雯
Original assignee: 江信有限公司
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-03-11
Also published as: TW201813779A

Abstract

一種製作矽聚晶燒結物件之方法，其係將一單晶鑽石、及含有矽粉及金剛石粉末之混合物的矽聚晶鑽石複合材料微粉分別置於一模具之相連的一第一凹室及一第二凹室中，在高溫高壓下將該單晶鑽石及該矽聚晶鑽石複合材料微粉燒結，以形成一矽聚晶燒結物件。

Description

矽聚晶燒結物件及其製造方法

本發明是有關一種可應用於作為修刀之修銳砂輪用的矽聚晶燒結物件的製造方法。

目前用於修整砂輪之鑽石修整器等刀具的常見結構，主要是將鑽石(金鋼石)結合於於金屬基材，鑽石及金屬基材間藉由焊接，以金屬黏著劑(焊劑)相互黏結。金屬與鑽石皆是耐熱性佳的材質。刀具在操作過程中通常會產生高熱。然而，由於金屬黏著劑在高溫時易融化，此種刀具在高溫操作時容易在金屬與鑽石的接觸面附近斷裂。

使用焊接也有潤濕性能及粘結性能的缺點。傳統上都是使用釺焊。然而，釺焊時，釺料必須潤濕被焊材料才能保證焊接部位無缺陷。由於鑽石的表面能很高，潤濕性差，因此找到對於鑽石和金屬基體表面均具有良好潤濕性的釺料是釺焊成功的關鍵。

金剛石與金屬的熱膨脹係數相差近十倍，在焊接后的冷卻過程中會形成很大的殘餘應力，從而影響焊接強度甚至損壞金剛石。

使用焊接另有金剛石的腐蝕的問題。金剛石在高溫下會氧化或石墨化，某些金屬對金剛石還具有侵蝕作用，因此必須選擇合適的工作環境與釺料，將金剛石的腐蝕現象減小到最低程度。

因此，有必要提供一種刀具，不但可以提供較傳統刀具更佳的耐熱性，也能解決前述的潤濕性能、粘結性能、殘餘應力及金剛石的腐蝕的問題。

根據本發明，刀具是以單晶鑽石作為切削端，而以矽聚晶鑽石複合材料為基材。兩者是藉由燒結使矽聚晶鑽石複合材料的矽原子包覆鑽石分子而相互固定，並不需要黏著劑，所製成刀具可以可耐極高的溫度。

聚晶鑽石(Polycrystalline Diamond；PCD)是一種導熱性佳、硬度高、耐磨性佳等優點的材料，可在切削中獲得很高的加工精度和加工效率。矽聚晶鑽石(Silicon Polycrystalline Diamond；SiPCD)複合材料的做法是將矽粉及金剛石微粉混合，置於模具中，以高溫高壓壓製而成。

單晶鑽石，例如含硼單晶鑽石，不但非常耐磨，更具有極佳的耐熱性。另一方面，單晶鑽石的熱傳導率倍優於聚晶鑽石。

因此，本發明使用單晶鑽石(例如含硼單晶鑽石)作為切削端，結合於矽聚晶鑽石複合材料。兩者間利用燒結而產生化學鍵結，因而相互固定，即使在高溫操作下，化學鍵結也不會破壞，並不需要傳統刀具所使用的金屬黏著劑，切削端與基材之間卻有更高的結合力。另一方面，作為切削端的單晶鑽石有高熱傳導性，能將切削加工時產生的熱迅速傳導至同樣具有耐高溫特性的矽聚晶鑽石複合材料。

本發明的製程，不需做鑽石表面改性處理，且僅會產生較小的應力，更不用提金屬對鑽石結合時會造成的其他問題。最大的優點則是因為矽(Si)耐高溫的特性，可以把工作時產生的熱藉由鑽石的高熱傳導率傳到矽上來保護鑽石。本案製成的矽聚晶燒結物件，不但可以提供較傳統刀具更佳的耐熱性，也能解決前述的潤濕性能、粘結性能、殘餘應力及金剛石的腐蝕的問題。

本發明的前述及其他優點，將可藉由以下實施方式說明而進一步瞭解。

100‧‧‧矽聚晶燒結物件

110‧‧‧單晶鑽石

111‧‧‧單晶鑽石

120‧‧‧矽聚晶鑽石複合材料基材

130‧‧‧接合部

140‧‧‧第一凹室

150‧‧‧第二凹室

圖1A及1B為矽聚晶燒結物件之示意圖。

圖2A至2C為矽聚晶鑽石複合材料微粉中的矽粉與單晶鑽石中的碳離子產生共價鍵結的示意圖。

圖3A及3B揭示用於製造本製程之模具之外觀之實施例。

圖3C及3D揭示圖3A及3B的模具內的結構的實施例。

圖1揭露本發明之矽聚晶燒結物件(100)之一實施例，其包括：一單晶鑽石(110)，較佳為含硼單晶鑽石；一經燒結之矽聚晶鑽石複合材料基材(120)，其於接合部(130)接合該單晶鑽石之(110)一部分，並將該單晶鑽石固定；其中該單晶鑽石(110)與該經燒結之矽聚晶鑽石複合材料基材(120)之間的接合及固定，係藉由將單晶鑽石(110)與矽聚晶鑽石複合材料微粉，經高溫高壓下進行之燒結反應，於兩者間的接合部所形成的化學鍵結來達成。

前述燒結反應製程，簡而言之，是於常溫常壓下將矽聚晶鑽石複合材料微粉與單晶鑽石(110)放在一起，兩者間以一接合部保持接觸，之後同時予以高溫高壓燒結。矽聚晶鑽石複合材料微粉為包括矽粉及金剛石粉末之混合物。如圖2A、2B、2C所示，在高溫高壓下，矽聚晶鑽石複合材料微粉中與單晶鑽石(110)接觸的矽粉，於高溫下融化(約為1,414℃)，其矽(Si)離子經燒結反應與單晶鑽石(110)中的碳(C)離子產生共價鍵結(SiC)，該共價鍵結沿著接合部表面包圍於單晶鑽石(110)鑽石分子外，因而使單晶鑽石(110)與經燒結的矽聚晶鑽石複合材料基材(120)相互固定。其餘矽聚晶鑽石複合材料微粉燒結成矽聚晶鑽石複合材料基材(120)。化學鍵結可耐高溫，即使在高溫操作下，化學鍵結也不會破壞，因而，單晶鑽石(110)與該經燒結之矽聚晶鑽石複合材料基材(120)之間的固定非常穩固，所製成的矽聚晶燒結物件，不易因高溫操作而崩解斷裂。

根據本發明，製成的矽聚晶燒結物件尺寸，從底部到單晶鑽石(110)的總長度可達10mm。

圖3A、3B揭示用於製造本製程之模具之外觀之實施例，而圖3C及3D揭示模具內的結構實施例。如圖3A、3B、3C及3D所示，模具內有相連的第一凹室(140)及第二凹室(150)。第一凹室(140)較佳具有符合單晶鑽石(110)尺寸的輪廓。第二凹室(150)之實施例為細長形且具有一預定形狀之剖面，如圖3A所示的矩形或圖3B所示的三角形。第一凹室(140)可用來置放/固定一或複數顆單晶鑽石(110)，而第二凹室(150)用來置放矽聚晶鑽石複合材料微粉。裝填單晶鑽石(110)及矽聚晶鑽石複合材料微粉時，是先放置單晶鑽石(110)於第一凹室(140)的位置中，之後將矽聚晶鑽石複合材料微粉填滿於第二凹室(150)。又如圖3D所示，在另一實施例中，可將複數顆單晶鑽石(110)以成串的整排單晶鑽石結構置入第一凹室(140)及第二凹室(150)，其中，該整排單晶鑽石僅有其末端的一顆單晶鑽石(110)位於第一凹室(140)，而其他單晶鑽石(111)位於第二凹室(150)。如此，若製成的矽聚晶燒結物件於使用一段時間後，當該最末端露出的單晶鑽石(110)磨耗完畢時，可再經由修磨最末端，使第二顆單晶鑽石(111)露出使用。

根據前述說明，本發明揭露的製作矽聚晶燒結物件之方法，包括：(1)提供單晶鑽石；(2)提供矽聚晶鑽石複合材料微粉，該矽聚晶鑽石複合材料微粉為包括矽粉及金剛石粉末之混合物；(3)提供一模具，該模具具有一對應該聚晶燒結物件之形狀之模洞，該模洞包括一用來固定該單晶鑽石之一第一凹室(140)、及一供容置該該矽聚晶鑽石複合材料微粉之一第二凹室(150)，其中該第一凹室與該第二凹室相連；(4)將單晶鑽石置於該第一凹室(140)中；(5)將該矽聚晶鑽石複合材料微粉置於該第二凹室(150)中；(6)在高溫高壓下將該單晶鑽石及該矽聚晶鑽石複合材料微粉燒結，以形成一矽聚晶燒結物件。

前述步驟(4)中，如果是使用排列成串的整排單晶鑽石，則將其末端的一顆單晶鑽石(110)置於第一凹室(140)，而其他單晶鑽石(111)置於第二凹室(150)。

本發明前述較佳實施例說明，僅是例示性，其目的並非在限制本發明的特徵。任何具有申請專利範圍所列特徵的製程或產品，均應認屬落入於本發明揭露的範疇。

Claims

一種製作矽聚晶燒結物件之方法，包括：1)提供一單晶鑽石；2)提供矽聚晶鑽石複合材料微粉，該矽聚晶鑽石複合材料微粉為包括矽粉及金剛石粉末之混合物；3)提供一模具，該模具具有一對應該聚晶燒結物件之形狀之模洞，該模洞包括相連的一第一凹室及一第二凹室；4)將該單晶鑽石置於該第一凹室中；5)將該矽聚晶鑽石複合材料微粉置於該第二凹室中；6)在高溫高壓下將該單晶鑽石及該矽聚晶鑽石複合材料微粉一起燒結，以形成一矽聚晶燒結物件。
如請求項1之方法，其中該單晶鑽石為含硼單晶鑽石。
一種製作矽聚晶燒結物件之方法，包括：1)提供排列成串之複數顆單晶鑽石；2)提供矽聚晶鑽石複合材料微粉，該矽聚晶鑽石複合材料微粉為包括矽粉及金剛石粉末之混合物；3)提供一模具，該模具具有一對應該聚晶燒結物件之形狀之模洞，該模洞包括相連的一第一凹室及一第二凹室；4)將該排列成串之複數顆單晶鑽石置於該模洞中，其中該排列成串之複數顆單晶鑽石之一末端的一單晶鑽石位於該第一凹室中，該排列成串之複數顆單晶鑽石的其餘單晶鑽石位於該第二凹室中；5)將該矽聚晶鑽石複合材料微粉置於該第二凹室中； 6)在高溫高壓下將該排列成串之複數顆單晶鑽石及該矽聚晶鑽石複合材料微粉一起燒結，以形成一矽聚晶燒結物件。
如請求項3之方法，其中該複數顆單晶鑽石為含硼單晶鑽石。
一種矽聚晶燒結物件，包括：一單晶鑽石；一經燒結之矽聚晶鑽石複合材料基材，其接合該單晶鑽石之一部分並將該單晶鑽石固定；其中該單晶鑽石與該經燒結之矽聚晶鑽石複合材料基材之間的接合，係藉由將該單晶鑽石與矽聚晶鑽石複合材料微粉於高溫高壓下進行之燒結反應所形成，該矽聚晶鑽石複合材料微粉為包括矽粉及金剛石粉末之混合物。
如請求項5之矽聚晶燒結物件，其中該單晶鑽石為含硼單晶鑽石。