припой для соединения монокристаллов алмаза с металлами

Классы МПК:B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C 
C22C5/08 с медью в качестве следующего основного компонента
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Самойлович Михаил Исаакович (RU),
Ивахин Алексей Владимирович (RU),
Пастушенко Виталий Николаевич (RU),
Крапошин Валентин Сидорович (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2002-02-14
публикация патента:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к припоям для соединения монокристаллов алмаза с металлами группы железа и сплавами на их основе, и может быть использовано для изготовления различного рода однокристального инструмента, в частности в стоматологии для алмазных головок или для изготовления однокристальных сверл. Предложенный припой содержит серебро, медь, олово, титан, карбид титана и карбид кремния при определенном соотношении компонентов. Технический результат - повышение механической прочности соединения до уровня, обеспечивающего возможность создания однокристального инструмента с высокими эксплуатационными характеристиками, сохраняющимися вплоть до рабочих температур 700-750°С. 1 табл.

Формула изобретения

Припой для соединения монокристаллов алмаза с металлами, содержащий серебро, медь, олово, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбид титана и карбид кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь14,4-18,4
Олово14,4-18,4
Титан14,4-18,4
Карбид титана4,5-15,6
Карбид кремния0,3-0,7
Серебро38,0-43,0

при соотношении серебра, меди, олова и титана 3,1:1,2:1,2:1,2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области соединения разнородных материалов, в частности, к припоям для пайки и пайко-сварки монокристаллов алмаза с металлами группы железа и сплавами на их основе и может найти применение для изготовления различного рода однокристального инструмента, в частности для медицинской промышленности головок стоматологических алмазных, а также для изготовления однокристальных сверл и других изделий с использованием алмазов как с диэлектрическими, так и с полупроводниковыми характеристиками.

Известен припой для пайки ситалла с металлами, содержащий серебряный припой с дополнительно введенным титаном в количестве 15-20% (ав. св. СССР № 150741, опубл. 1962 г., МПК В 23 К 35/30, С 22 С 5/06). Однако этот припой непригоден для соединения монокристаллов алмаза, поскольку не обеспечивает механическую прочность соединения, достаточную для практического использования в однокристальном инструменте. Этот припой не содержит карбидов титана и кремния, а также олова и при его использовании для пайки алмазов происходит сильное растворение поверхности алмазов в серебре и одновременно сильное взаимодействие углерода, алмаза с титаном, что приводит к разрушению алмаза и к значительному снижению прочности соединения.

Известен также припой для пайки алмазоносной металлокерамической матрицы со стальным корпусом инструмента, содержащий (мас.%):

карбид циркония3-8
бориды3-8
никельостальное

(патент РФ № 853905. опубл. 15.12.1993 г., МПК В 23 К 35/32). Данный припой не содержит таких металлов, как серебро и титан, которые существенно изменяют межфазную энергию и смачивание в системе алмаз-металл, а также не содержит карбидов титана и кремния и олова, которые регулируют эти процессы, припятствуя сильному взаимодействию поверхности алмаза с никелем и его разрушению, а следовательно, данный припой не обеспечивает необходимую механическую прочность соединения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является припой для получения омических контактов монокристаллов синтетического алмаза путем подсоединения металлических выводов к полупроводниковым алмазам, содержащий медь, олово, титан, серебро в отношении (1-1,5):(1,05-1,5):(1,05-1,5):(2-2,5), что соответствует следующим мас.%:

медь16,50-24,25
олово17,35-24,25
титан17,35-24,25
серебро34,00-41,25

(патент РФ № 2084032, опубл. 10.07.97 г., МПК H 01 C 13/00 - прототип). Данный припой возможно использовать только для получения омических контактов путем лазерной сварки тонких проволочек (металлических выводов) с полупроводниковым алмазом. Отсутствие в припое карбидов титана и кремния, а также выбранное соотношение меди, олова, титана и серебра не позволяет получать механически прочные соединения алмаза с металлом, хотя и обеспечивают электрические характеристики и омичность контактов. Такие металлы, как серебро и медь, достаточно сильно взаимодействуют с поверхностью алмаза, а титан образует соединения в виде карбидов с углеродом алмаза, в совокупности это приводит (если не рассматривать припой для соединения монокристаллов алмаза с металлами, патент № 2270743точечныеприпой для соединения монокристаллов алмаза с металлами, патент № 2270743 омические контакты как в прототипе) к частичному разрушению алмаза, а следовательно (в конечном итоге), к снижению прочности соединения алмаза с металлом и к существенному снижению эксплуатационных характеристик однокристального инструмента. Введение карбидов титана и кремния обеспечивает сохранение монокристаллов алмаза при пайке, в том числе на больших площадях, и необходимую прочность соединения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании припоя, образующего прочное соединение монокристаллов алмаза с металлами. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, состоит в значительном повышении механической прочности такого соединения до уровня, обеспечивающего возможность создания однокристального инструмента с высокими эксплуатационными характеристиками, сохраняющимися вплоть до рабочих температур 700-750°С.

Указанный технический результат достигается тем, что припой для соединения монокристаллов алмаза с металлами, содержащий серебро, медь, олово, титан, согласно изобретению дополнительно содержит карбиды титана и кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь14,4-18,4
олово14,4-18,4
титан14,4-18,4
карбид титана4,5-15,6
карбид кремния0,3-0,7
серебро38,0-43,0

при соотношении серебра, меди, олова и титана 3,1:1,2:1,2:1,2. Содержание меди в количестве 14,4-18,4 и серебра в количестве 38,0-43,0 мас.% обеспечивает достаточную смачиваемость состава припоя по отношению к алмазу, что необходимо для создания условий, при которых (при температуре пайки) имеет место частичное растворение поверхности алмаза и небольшая диффузия растворенных атомов углерода в припой. Олово в количестве 14,4-18,4 мас.% не только эффективно изменяет температуру плавления, но и обеспечивает снижение скорости растворения в припое. Одновременно изменяется скорость карбидообразования и уменьшается испарение металлов при высоких температурах в процессе пайки вследствие неконгруэнтности плавления. Титан в количестве 14,4-18,4 мас.% не только повышает температуру плавления, но и обеспечивает за счет карбидообразования частичное связывание растворенного углерода с целью снижения хрупкости припойсодержащей области соединения металла с алмазом. При этом не имеет место окисление титана и одновременно он препятствует как газопоглощающий элемент окислению других металлов в процессе пайки при высоких температурах.

Дополнительное введение в припой карбида титана в количестве 4,5-15,6 и карбида кремния в количестве 0,3-0,7 (при указанном соотношении остальных компонентов) необходимо для эффективного изменения скорости взаимодействия с такими металлами, как медь, серебро и титан, при этом за счет различия в температурах разложения карбидов титана и кремния в присутствии титана и при заданной смачиваемости обеспечивается необходимая интенсивность как диффузии углерода в металл, так и металла из состава припоя в алмаз, т.е. процесс пайки носит сложный характер, имеющий черты как пайки, также частично сваривания. В результате достигается необходимая прочность соединения без охрупчивания области промежуточной между металлом и алмазом. Тем самым обеспечиваются высокие эксплуатационные характеристики однокристального инструмента.

Пример осуществления способа

Припой готовили путем смешивания порошков серебра, меди, олова и титана с последующим добавлением карбидов титана и кремния. В качестве исходных компонентов использовались порошки перечисленных металлов и карбидов чистоты 99,5%. Для получения припоя были приготовлены соединения с различным содержанием указанных компонентов (см. таблицу). Приготовленный припой использовался для изготовления однокристального инструмента в виде сверл из стали марки Р6. Пайка осуществлялась в условиях вакуума (10 -3 мм рт.ст.) или инертной среды (аргон) при температурах 1050-1150°С. Свойство паяных соединений и прочность соединения монокристаллов алмаза с материалом сверла определялось по эксплуатационным характеристикам, а именно по суммарной длине просверленных отверстий в кристаллическом кварце для сверл диаметром 0,4-0,5 мм, в том числе при высокой рабочей температуре (700°С). Использование припоя по изобретению, как видно из таблицы, обеспечивает большую механическую прочность монокристаллов алмазов фракций 500/400 с материалом стали и высокие эксплуатационные характеристики изготовленных сверл.

Состав сплава, мас.% СоотношениеТемпература пайки, °СЭксплуатационные характеристики (суммарная длина сверления, мм)
AgCuTi SnTiCSiC Ag:Cu:Sn:Tiпри 20°С при 700°С
38,0 15,2415,2415,28 15,280,7 3,1:1,2:1,2:1,21150 36060
40,0 15,9615,96 15,9611,520,6 3,1:1,2:1,2:1,21100 42080
43,017,417,4 17,44,5 0,33,1:1,2:1,2:1,2 105036060

Класс B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C 

быстрозакаленный припой из сплава на основе титана-циркония -  патент 2517096 (27.05.2014)
сварочная проволока -  патент 2511382 (10.04.2014)
пригодный для сварки, жаропрочный, стойкий к окислению сплав -  патент 2507290 (20.02.2014)
гамма/гамма' -суперсплав на основе никеля с многочисленными реакционно-активными элементами и применение указанного суперсплава в сложных системах материалов -  патент 2500827 (10.12.2013)
ролик для поддерживания и транспортирования горячего материала, имеющий наплавленный посредством сварки материал, присадочный сварочный материал, а также сварочная проволока для проведения наплавки сваркой -  патент 2499654 (27.11.2013)
аустенитный сварочный материал и способ профилактического технического обслуживания для предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением и способ профилактического технического обслуживания для предотвращения межкристаллитной коррозии с его использованием -  патент 2488471 (27.07.2013)
сварочная проволока из нержавеющей стали с флюсовым сердечником для сварки оцинкованного стального листа и способ дуговой сварки оцинкованного стального листа с применением указанной сварочной проволоки -  патент 2482947 (27.05.2013)
сварочная проволока из низкоуглеродистой легированной стали -  патент 2477334 (10.03.2013)
способ нанесения покрытия на поверхность деталей с помощью электроконтактной сварки с использованием порошкового присадочного материала, содержащего железный порошок, и присадочный материал для его осуществления -  патент 2473413 (27.01.2013)
твердый припой -  патент 2469829 (20.12.2012)

Класс C22C5/08 с медью в качестве следующего основного компонента

Наверх