专利名称：金刚石厚膜与硬质基体形成牢固连接的方法
技术领域：
本发明属超硬材料的焊接领域，特别涉及金刚石膜与基体的连接方法。
背景技术：
金刚石由于其本身的特性使得它与其它材料不亲合，很难与其它材料牢固连接。CVD金刚石膜是一种新材料，它是用化学气相沉积方法以碳氢气体为原料合成的一种完全由金刚石构成的片状材料，其中不含有其它杂质，具有与天然金刚石相同的各种优异性质，利用金刚石厚膜制作各种加工工具有广阔的应用前景。但正因金刚石膜具有与天然金刚石相同的性质，使得它与其它材料形成牢固连接成为困难。要达到金刚石与其它物体形成牢固连接的目的，要解决如下问题1、要在金刚石膜表面形成一层碳化层，在通过碳化层作为过渡使金刚石膜与被连接物体形成冶金结合；2、由于金刚石与被连接物体(硬质合金或钢材料的基体)之间的热膨胀系数相差很大，而焊接都是在高温下进行，因此必须消除在焊接过程中产生的内应力，否则金刚石与基体之间不能形成牢固连接。
跟本发明相近的现有技术是发表在《焊接学报》第20卷第1期(1999.3)P43～47的文章，题目是“金刚石厚膜与硬质合金的连接”。该论文公开的技术内容是，在CVD金刚石厚膜(厚度30μm)与硬质合金(YG8)之间，“添加的中间层材料由纯Ti箔和Ag-Cu合金箔组成”；按硬质合金、Ag-Cu合金箔、Ti箔、金刚石膜顺序排列，在真空辐射加热扩散焊机上进行连接，在其上施以一定压力，在真空环境下加高温并经过一定时间的保温使金刚石膜与硬质合金(WC)连接在一起。“具体参数如下真空度B＝2.5×10-3Pa；加热温度T＝880℃；升、降温速度v＝30℃/min；保温时间t＝30min；施加压力P＝10Pa”。“结果形成了较牢固的冶金连接。”该论文还指出“膜的厚度越大，热应力也越大，越易与基体脱离”。“活性元素Ti与组成金刚石的C元素之间的化学反应是实现金属与金刚石连接的必要条件。根据扩散定律和反应动力学，只有在一定的温度和保温时间的情况下，这种反应才能进行。但是若温度太高，时间太长，导致生成过量的碳化物也会影响接头强度。因此，必须优选最佳工艺参数。此部分工作有待于进一步的研究。”此外，虽然Ti箔在高温下会与金刚石表面的碳形成一薄层TiC，但这层TiC的厚度一般只有几个微米，因而作为添加材料厚度为30μm的Ti箔并不能完全熔化被Ag-Cu合金稀释，仍有一层Ti存在并对熔化后的Ag-Cu合金流动形成阻碍，不能使液态的Ag-Cu合金与TiC层接触形成冶金结合；这时的截面实际分布自下而上是硬质基底，Ag-Cu合金，Ti层，TiC层，金刚石膜。Ti层的存在也增加了焊接面的脆性，同时使焊接界面产生很大的内应力，这些都会影响金刚石膜与被连接基体的结合强度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服背景技术的不足，优选金刚石厚膜与硬质合金或钢基体连接的工艺过程和工艺条件，达到工艺简单、适于实用、焊接牢固的目的。
本发明的金刚石厚膜与基体连接的工艺过程按顺序是前处理过程、装料过程、焊接过程。仍然选择Ag-Cu合金和Ti箔为钎料；所说的装料过程是，按基体、Ag-Cu合金、Ti箔、金刚石厚膜的顺序，放置在真空炉的装料台上，并在其上施加10Mpa量级的压力。所说的前处理过程是，金刚石厚膜在硫酸、硝酸的混合溶液中煮沸再清水冲洗，除去基体被连接面的表面氧化膜，用丙酮或四氯化碳对金刚石厚膜、钎料、基体表面进行除油处理。所说的焊接过程是，真空炉抽真空至1×10-3～2×10-3Pa，以10～20℃/min升温速率升温至860～890℃，恒温40～60min，之后以8～12℃/min的降温速率降温至600～400℃，再自然降温至室温。所说的Ag-Cu合金是片状的或是片网状的，Ti箔是片网状的。
所选用的Ag-Cu合金可以是72Ag-28Cu合金，厚度可以是200～300μm；Ti箔的厚度可以是20～40μm。片网状的Ag-Cu合金或Ti箔的网状孔径可以是0.2～0.8mm，孔与孔的间隔可以是0.4～0.7mm。
所说的钎料Ti可以使用TiH2粉或Ti粉与乙醇的糊状混合物，装料时填充到片网状的Ag-Cu合金的网孔中，再置于金刚石厚膜与基体之间进行焊接。
当金刚石厚膜的膜厚较大，比如大于150μm，生长面没经过研磨处理，为保证结合强度，可以选择比较平滑的衬底面作为连接面。
本发明所说的硬质基体主要是指硬质合金WC-6％Co或WC-8％Co及40Cr或45#钢。
本发明的金刚石厚膜与硬质基体形成牢固连接的方法，由于把Ti箔制成网状或使用TiH2或Ti粉，与背景技术相比有了根本的变化，能够避免Ti以层的形式存在对熔化后的Ag-Cu合金流动形成的阻碍，在高温下液态的Ag-Cu合金可以到达结合面的各个部位；又由于Ti金属强烈的渗透作用，随着液态的Ag-Cu合金的流动，部分Ti与Ag-Cu合金形成液态的Ag-Cu-Ti合金到达整个焊接面，与金刚石膜表面的TiC形成冶金结合。同时，工艺条件中升温和降温的速率低，保温时间较长，有利于消除在焊接过程中产生的内应力。因而使金刚石膜与被连接物体牢固连接。用本发明的方法焊接的产物经拉力试验机检验，剪切强度均大于160MPa，最大已经达到209MPa，产品拉开后在金刚石厚膜和基体的焊接面上均留有钎料，金刚石膜没有与焊料层脱离，说明钎料与金刚石厚膜和基体的连接都非常牢固。
具体实施例方式
实施例1前处理过程a.金刚石厚膜置于硫酸∶硝酸＝3∶1的混合溶液中煮沸20分钟，除去金刚石膜表面的石墨等杂质，用清水把煮好的金刚石膜冲洗干净。
b.用砂轮或磨床或砂纸等处理硬质合金或钢的被连接面，除去表面氧化膜。
c.按照实际需要准备尺寸合适的72Ag-28Cu合金，一般厚度为0.2～0.3mm。准备尺寸与Ag-Cu合金基本相同的网状Ti箔，一般厚度为20～40μm。
d.用丙酮或四氯化碳对金刚石厚膜、钎料、被连接基体表面进行除油处理。
装料过程按自下而上顺序将硬质合金或钢、Ag-Cu合金、网状Ti箔、金刚石厚膜把试样叠放好，平放在真空炉中的装料台上，在上面压上重物，压力约为10MPa。
最好在试样与重物之间用石墨片隔开，防止把试样与重物压块焊在一起。
焊接过程真空炉抽真空至1.5×10-3～1.8×10-3Pa时开始加温，升温速度为15℃/min，当温度升到870℃开始保温，恒温时间50min，降温速率10℃/min，降至500℃时自然降温，温度降至室温时打开真空室取出试样。
按上述的前处理、装料、焊接工艺过程，对膜厚在90、160、400、900μm直至1.6mm的金刚石厚膜与硬质合金或钢的连接都很牢固，剪切强度均大于160MPa，剪切强度最大的209MPa是对1.6mm膜厚测试时得到的。
实施例2使用网状72Ag-28Cu合金和TiH2粉末为添加料的其体做法举例为把厚度为0.3mm的72Ag-28Cu合金片制成网状，孔径约为0.5mm，孔与孔的间隔为0.5-0.6mm；用乙醇与TiH2粉末混在一起搅成糊状填充到Ag-Cu合金片的孔内，并将其置于金刚石膜与被连接物体之间。其它的工艺过程与实施例1相同。TiH2粉的粒度是50μm以细，本实施例使用30μm的TiH2粉。
高温下Ag-Cu合金为液态，TiH2被还原成Ti，一部分Ti与液态Ag-Cu合金形成Ag-Cu-Ti合金流散到到个焊接面，Ti向金刚石厚膜表面扩散并在金刚石厚膜表面形成TiC与Ag-Cu-Ti合金形成冶金结合，把金刚石厚膜与被连接的基体牢固连接在一起。这种方法由于在装料过程中减少了叠放Ti箔这道工序，简化了工艺过程，尤其在焊接小试样时使装料变得容易。
用粒度50μm以细Ti粉替代TiH2粉末，效果与使用TiH2粉末基本是一样的。
实施例3将实施例1中的72Ag-28Cu合金和Ti箔都制作成片网状，也可以实现实施例1的效果。
实施例4在装料过程，将金刚石厚膜的衬底面跟钎料Ti接触，其余的按实施例1的过程、条件进行焊接，结果连接也很牢固，适于实际应用。
为保证结合强度选择比较平滑的衬底面作为连接面。因为我们所用的金刚石膜都是采用化学气相沉积方法合成的，在金刚石膜的合成时，衬底材料一般都是能与碳形成碳化物的材料，在金刚石膜合成过程中在高温条作用下衬底材料表面的原子要向金刚石膜表面扩散与金刚石膜表面的碳原子形成碳化物(MoC，Mo2C，WC，W2C，SiC等，具体是何种碳化物与衬底材料有关)这层碳化物有利于金刚石厚膜与基体的连接。对于膜厚大于150μm的金刚石厚膜的连接，选用衬底面作为连接面是非常合适的。
实施例5使用实施例1的金刚石厚膜、基体、钎料，按实施例1的工艺步骤实施焊接，只是焊接温度变高，为900℃；保温时间变短，为25min；降温速率变快，为25℃/min。由于缓解内应力程度不够，焊接结果虽然也比较牢固，剪切强度却没有达到实施例1的效果。说明在较低的焊接温度，比如860～870℃；较长的保温时间，比如40～60min；较低的降温速率，比如8～10℃/min，没有导致生成过量的碳化物，有利于内应力的释放，达到了焊接牢固的目的。
权利要求
1.一种金刚石厚膜与硬质基体形成牢固连接的方法，工艺过程按顺序是前处理过程、装料过程、焊接过程；选择Ag-Cu合金和Ti箔为钎料；所说的装料过程是，按基体、Ag-Cu合金、Ti箔、金刚石厚膜的顺序，放置在真空炉的装料台上，并在其上施加10Mpa量级的压力；其特征在于，所说的前处理过程是，金刚石厚膜在硫酸、硝酸的混合溶液中煮沸再清水冲洗，除去基体被连接面的表面氧化膜，用丙酮或四氯化碳对金刚石厚膜、钎料、基体表面进行除油处理；所说的焊接过程是，真空炉抽真空至1×10-3～2×10-3Pa，以10～20℃/min升温速率升温至860～890℃，恒温40～60min，之后以8～12℃/min的降温速率降温至600～400℃，再自然降温至室温；所说的Ag-Cu合金是片状的或是片网状的，Ti箔是片网状的。
2.按照权利要求1所述的金刚石厚膜与硬质基体形成牢固连接的方法，其特征在于，所选用的Ag-Cu合金是72Ag-28Cu合金，厚度是200～300μm；Ti箔的厚度是20～40μm；片网状的Ag-Cu合金或Ti箔的网状孔径是0.2～0.8mm，孔与孔的间隔是0.4～0.7mm。
3.按照权利要求1或2所述的金刚石厚膜与硬质基体形成牢固连接的方法，其特征在于，所说的钎料Ti使用TiH2粉或Ti粉与乙醇的糊状混合物，装料时填充到片网状的Ag-Cu合金的网孔中，再置于金刚石厚膜与基体之间进行焊接。
4.按照权利要求1或2所述的金刚石厚膜与硬质基体形成牢固连接的方法，其特征在于，所说的金刚石厚膜，选择平滑的衬底面作为连接面。
5.按照权利要求3所述的金刚石厚膜与硬质基体形成牢固连接的方法，其特征在于，所说的金刚石厚膜，选择平滑的衬底面作为连接面。
全文摘要
本发明的金刚石厚膜与硬质基体形成牢固连接的方法属超硬材料的焊接领域。工艺分前处理过程、装料过程、焊接过程。按基体、Ag－Cu合金、Ti箔、金刚石厚膜的顺序叠放置于真空炉的装料台上；真空炉抽真空至2×10
文档编号B23K1/00GK1583354SQ20041001089
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月3日 优先权日2004年6月3日
发明者吕宪义, 金曾孙, 吴汉华, 顾长志, 邹广田 申请人:吉林大学