[发明专利]一种基于钎焊方式的金刚石表面活化工艺

说明书

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。