CN103687829A - 钎焊的涂布的含金刚石材料 - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及钎焊的涂布的含金刚石材料，以及制造钎焊的涂布的含金刚石材料的方法。将所述涂布的含金刚石材料钎焊的方法可以包括：使钎焊金属与耐火金属层和基底接触；至少将所述钎焊金属加热至所述钎焊金属的熔融温度以上；并且使所述钎焊金属与基底接触以形成钎焊金属层，以将含金刚石材料、钎焊金属层和基底接合在一起。所述方法的优势可包括，可以在空气中、在环境压力下并且在无需保护层的情况下进行所述钎焊步骤。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于先前提交的美国临时专利申请61/509,711并且要求所述美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请是于2011年7月20日提交的。
技术领域
本公开内容涉及钎焊的涂布的含金刚石材料以及制造钎焊的涂布的含金刚石材料的方法。具体地，所述钎焊涂布的含金刚石材料的方法可在空气中、在环境压力下并且在无需保护层和/或保护气氛的条件下实施。
背景技术
含金刚石材料可以用于对金属、金属合金、复合物、玻璃、塑料、木料、石料、地质建造、地层和陶瓷进行机械加工、切割、研磨、抛光和/或钻孔。可以将含金刚石材料粘结至基底，通过将含金刚石材料粘结至基底，以用于提高工具性能的目的。以这种方式，含金刚石材料可以提供坚硬的研磨面，而基底可以提供强度、韧性以及将工具连结至工具架的手段。当基底为整合有含金刚石材料的工具的部分时，所述基底可以提供强度和容易的操作。
将许多含金刚石材料形成为整体粘结至碳化钨基底的多晶层。为了将这些材料引入工具中，将其切至期望的尺寸和形状，并且将基底钎焊至工具架。本领域普通技术人员公知这种类型的工具制造的方法。
将其它含金刚石材料形成为独立体或独立层。在工具中使用这些类型的含金刚石材料的问题之一在于，含金刚石材料必须充分粘结至基底以允许工具有效起作用。例如，通常使用钎焊金属或合金在约700℃至约1200℃的温度下将含金刚石材料粘结至基底。然而，在高于约700℃的温度，许多含金刚石材料发生热氧化。含金刚石材料的热氧化表面干扰将含金刚石材料钎焊至基底的能力和/或使含金刚石材料的完整性劣化。
至少由于这种原因，用以将含金刚石材料钎焊至基底的方法可能涉及使用惰性气氛、减压或保护层以防止或最小化含金刚石材料的氧化。尽管使用这些技术可能产生令人满意的粘结效果，但是这些方法需要使用昂贵的工艺条件，这对于工业规模来说可能不切实际。
由此可见，需要在空气中在环境压力下和/或在不使用保护层的条件下制造钎焊的含金刚石材料的方法；还需要能够在含金刚石材料和基底之间形成强粘结的钎焊的涂布的含金刚石材料。还需要钎焊的涂布的含金刚石材料，其可以以如下的方式粘结至基底，该方式使得含金刚石材料的氧化最小化而无需保护层。此外，还需要在无需惰性气氛、减压气氛或保护层的条件下钎焊涂布的含金刚石材料。
发明内容
以下实施方式不是广泛的概述。以下描述并不旨在确认各个实施方式的关键要素，也不旨在限制其范围。
在一个实施方式中，钎焊的涂布的含金刚石材料包含：第一种含金刚石材料；包含耐火金属碳化物的任选的碳化物层，其中所述碳化物层可以与所述含金刚石材料直接接触，并且该碳化物层可以是连续或不连续的；包含耐火金属或耐火金属合金的耐火金属层，其中所述耐火金属层可以与所述碳化物层或所述第一种含金刚石材料直接接触；包含钎焊金属的钎焊金属层，其中所述钎焊金属层可以与所述耐火金属层的至少一部分直接接触；以及基底，其中所述基底的表面的至少一部分可以与所述钎焊金属层直接接触，并且其中所述基底包含第二种含金刚石材料、硬质合金、多晶立方氮化硼（PcBN）超硬磨料、陶瓷、金属、金属合金和/或其组合。
在一个实施方式中，所述第一种含金刚石材料和第二种含金刚石材料可以各自独立地包含单晶金刚石、化学气相沉积的金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物、钴-多晶金刚石复合物、热稳定性金刚石复合物和/或其组合。在一个实施方式中，所述耐火金属可以包含钨、钛、铌、锆、钽、钒、铬或钼。在一个实施方式中，所述耐火金属合金可以包含至少一种耐火金属以及任选的至少一种非耐火金属。在一个实施方式中，所述耐火金属碳化物可以包含耐火金属或耐火金属合金的至少一种金属。在一个实施方式中，所述耐火金属层的厚度可以为约0.1μm至约100μm。在一个实施方式中，可以通过涂布方法将所述耐火金属或耐火金属合金直接沉积于所述含金刚石材料上以形成耐火金属层和任选的碳化物层。在另外的实施方式中，所述涂布方法可以包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、蒸发、无电镀、电镀、热扩散和/或其组合或系列。在一个实施方式中，钎焊金属可以包含银、铜、锰、镍、锌、钯、铬、硼、钛、锡、硅、镉、金、铝、铟或者其合金或复合物。
一个实施方式包括制造钎焊的涂布的含金刚石材料的方法，所述方法包括将涂布的含金刚石材料钎焊至基底，其中所述涂布的含金刚石材料包含：第一种含金刚石材料；包含耐火金属碳化物的任选的碳化物层，其中所述碳化物层可以与所述含金刚石材料直接接触，并且该碳化物层可以是连续或不连续的；包含耐火金属或耐火金属合金的耐火金属层，其中所述耐火金属层可以与所述碳化物层或所述第一种含金刚石材料直接接触；其中钎焊步骤可包括：将所述钎焊金属、所述耐火金属层和所述基底中的至少一者加热至高于液线温度的足以熔融所述钎焊金属的温度；并使熔融的钎焊金属与所述耐火金属层和基底层两者都接触，以形成包含银、铜、锰、镍、锌、钯、铬、硼、钛、锡、硅、镉、金、铝、铟或者其合金或复合物的钎焊金属层，其中所述基底包含第二种含金刚石材料、硬质合金、多晶立方氮化硼（PcBN）超硬磨料、陶瓷、金属、金属合金和/或其组合。在所述方法的一个实施方式中，所述第一种含金刚石材料和第二种含金刚石材料可以各自独立地包含单晶金刚石、化学气相沉积的金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物、钴-多晶金刚石复合物、热稳定性金刚石复合物和/或其组合。在所述方法的一个实施方式中，所述耐火金属可以包含钨、钛、铌、锆、钽、钒、铬、钼和/或其组合。在所述方法的一个实施方式中，所述耐火金属合金可以包含至少一种耐火金属以及任选的至少一种非耐火金属。在所述方法的一个实施方式中，所述耐火金属碳化物可以包含耐火金属或耐火金属合金的至少一种金属。在所述方法的一个实施方式中，所述耐火金属层的厚度可以为约0.1μm至约100μm。在所述方法的一个实施方式中，所述钎焊步骤可以包括施加热源以至少将钎焊金属加热至约700℃至约1000℃的温度。在所述方法的一个实施方式中，所述热源可以为焊灯、炉子、微波装置、弧焊机、激光器或感应线圈中的至少一种。在所述方法的一个实施方式中，所述热源可为感应线圈；并且将温度在约700℃至约1000℃维持至少约5秒的时段。在所述方法的一个实施方式中，可以在环境气压下并在空气中实施所述钎焊步骤。
应了解，上文的一般描述和下文的发明详述都是示例性的，并且都旨在为所公开的材料、产品和制造方法提供进一步的解释。
附图说明
为了示例此处包括的实施方式的目的，在附图中描绘了涂布的含金刚石材料和钎焊的涂布的含金刚石材料的特定实施方式。然而，所述方法和相关产品不受附图中所描绘实施方式确切的布置和手段（instrumentality）的限制。
图1示意性描绘根据一个示例性实施方式的涂布的含金刚石材料；并且
图2示意性描绘如下的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中根据一个示例性实施方式将涂布的含金刚石材料钎焊至基底。
发明详述
如此处所用的，除非另外明确地规定，否则以下术语中的每个都具有与其在该部分中相关的含义。
冠词“一个”或“一种”在此处用以指所述冠词的一个或多于一个客体。举例来说,“一种元素”是指一种或多于一种元素。
本领域普通技术人员将理解，术语“约”取决于使用其的上下文。如本文所用的，“约”涵盖±20%的变化，包括±10%、±5%、±1%和±0.1%的变化。
应理解，包括此处所述在任何范围之间的任何或所有的全部或部分的整数。
术语“钎焊的”是指已经通过钎焊工艺接合的物体。
术语“钎焊”是指如下的将钎焊金属或合金熔融的金属接合工艺：将钎焊金属或合金加热至钎焊金属或合金的液线温度以上，且使熔融的钎焊金属与至少两个物体接触，以使当温度低于钎焊金属或合金的固线点时，使所述两个物体至少通过所述钎焊金属或合金而彼此接合（粘结）。例如，可以将钎焊金属或合金熔融，并且可以使液体钎焊金属或合金与涂布的含金刚石材料和基底材料接触，以将含金刚石材料固定于基底。
术语“耐火金属”是指熔点等于或高于约1850℃的元素。耐火金属的实例可以包括铌、钼、钽、钨、铼、钛、钒、铬、锆、铪、钌、锇和铱。
术语“耐火金属碳化物”是指由至少一种耐火金属形成的碳化物。
术语“钎焊金属”或“钎焊金属合金”是指熔点为约500℃至约1849℃的金属或金属合金。
术语“硬质合金”是指由通过金属基体粘结在一起的金属碳化物晶体形成的复合材料。例如，可以通过钴金属基体将碳化钨晶体粘结在一起。
术语“碳化钨”是指由通过钴金属基体粘结在一起的碳化钨晶体形成的硬质合金。
术语“多晶金刚石”是指由烧结在一起以形成固体制品的金刚石晶体形成的材料。例如，一种公知的工艺涉及使用钴金属作为液相烧结剂，并且所得的复合材料含有烧结金刚石晶体与间质钴的连续基体。
术语“PCD”是多晶金刚石的缩写。
术语“热稳定性金刚石复合物”是指已经例如通过将钴溶解在强酸中而将大多数或所有钴从其除去的PCD材料。
术语“连续”是指层的形式，其中所述层的所有材料都互连；然而，连续层可能在层中含有孔或间隙，只要所述层的所有材料形成单一整体即可。
术语“不连续”是指层的形式，其中所述层的材料的至少一部分不互连，以使一个部分不会直接接触另一部分。例如，不连续层可能包括所述层的材料的多个部分，其中所述多个部分是随机分布在表面上的。
术语“合金”是指多于一种金属的混合物。
术语“非耐火金属”是指熔点低于1850℃的金属。
术语“液线温度”是指高于该温度时金属或金属合金会完全液化的温度。
术语“固线温度”是指低于该温度时金属或金属合金会完全固化的温度。
术语“环境气压”是指其中将钎焊的金刚石涂布材料钎焊的工艺环境的大气压力并且包括760毫巴±20毫巴。
术语“在空气中”是指其中将钎焊的金刚石涂布材料钎焊的工艺环境的大气气体混合物并且包含21%氧气±5%。
除非另外指示，否则所有测量值都采用公制单位。
参照图1，在一个示例性实施方式中，涂布的含金刚石材料100可以包含：含金刚石材料102；最外部涂层106，其中所述最外部涂层可以包含耐火金属或耐火金属合金；以及包含耐火金属碳化物的任选的中间涂层104，其中所述中间涂层可以与含金刚石材料和最外部涂层直接接触，并且其中所述中间层可以是连续或不连续的。
在一个示例性实施方式中，所述含金刚石材料可以包含单晶金刚石、化学气相沉积（CVD）金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物、钴-多晶金刚石复合物、热稳定性金刚石复合物和/或其组合。在一个示例性实施方式中，所述耐火金属可以包含钨、钛、铌、锆、钽、钒、铬或钼。在另一示例性实施方式中，所述耐火金属合金可以包含至少一种耐火金属以及任选的至少一种非耐火金属。
在一个示例性实施方式中，所述耐火金属碳化物可以包含耐火金属或耐火金属合金的至少一种金属。在一个实施方式中，最外层的厚度可以为约0.1μm至约100μm。在一个示例性实施方式中，可以通过涂布方法将所述耐火金属或耐火金属合金直接沉积于含金刚石材料上以形成最外部涂层和任选的中间涂层。在一个示例性实施方式中，所述涂布方法可以包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、溅射、蒸发、无电镀、电镀、热扩散或者其组合或系列。
在制造涂布的含金刚石材料的方法的一个示例性实施方式中，所述方法可以包括：将耐火金属或耐火金属合金直接沉积于含金刚石材料上以制造如下的涂布的含金刚石材料，其包含：含金刚石材料；最外部涂层，其中所述最外部涂层可以包含耐火金属或耐火金属合金；以及任选的中间涂层，其可以包含耐火金属碳化物；其中中间涂层可以与含金刚石材料和最外部涂层直接接触，并且其中该中间层可以是连续或不连续的。
在所述方法的一个示例性实施方式中，所述含金刚石材料可以包含单晶金刚石、化学气相沉积的金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物、钴-多晶金刚石复合物、热稳定性金刚石复合物和/或其组合。在所述方法的一个示例性实施方式中，所述耐火金属可以包含钨、钛、铌、锆、钽、钒、铬或钼。在所述方法的一个示例性实施方式中，所述耐火金属合金可以包含至少一种耐火金属以及任选的至少一种非耐火金属。
在所述方法的一个示例性实施方式中，所述耐火金属碳化物可以包含耐火金属或耐火金属合金的至少一种金属。在所述方法的一个实施方式中，所述最外部涂层的厚度可以为约0.1μm至约100μm。在所述方法的一个实施方式中，沉积步骤可以包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、蒸发、无电镀、电镀或者其组合或系列。在所述方法的一个实施方式中，可以通过化学气相沉积在约550℃至约950℃的温度下实施该沉积步骤。
参照图2，在一个示例性实施方式中，钎焊的涂布的含金刚石材料200可以包含：第一种含金刚石材料102；任选的碳化物层104，其可以包含耐火金属碳化物，其中所述碳化物层可以与所述含金刚石材料直接接触，并且所述碳化物层可以是连续或不连续的；耐火金属层106，其可以包含耐火金属或耐火金属合金，其中所述耐火金属层可以与所述碳化物层或第一种含金刚石材料直接接触；钎焊金属层108，其可以包含钎焊金属，其中所述钎焊金属层可以与所述耐火金属层的至少一部分直接接触；以及基底210，其中所述基底的表面的至少一部分可以与所述钎焊金属层直接接触，并且所述基底可以包含第二种含金刚石材料、硬质合金、多晶立方氮化硼（PcBN）超硬磨料、陶瓷、金属、金属合金和/或其组合。
在一个示例性实施方式中，钎焊的涂布的含金刚石材料可以包含第一种含金刚石材料。含金刚石材料的选择不受特别限制，只要该含金刚石材料能够由耐火金属层涂布即可。所述含金刚石材料可以用作如研磨、车削、木材加工、修整、钻孔、采矿等这样的材料去除应用的超硬磨料工具。所述含金刚石材料可以用于耐磨应用如喷嘴、垫磨片、磨损面、耐磨覆层或衬垫等中。连结金刚石的方法可用于制造多种具有其它有用应用的含金刚石材料。第一种含金刚石材料可以包含单晶金刚石、化学气相沉积（CVD）金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物、钴-多晶金刚石复合物、热稳定性金刚石复合物和/或其组合。
取决于各应用所需的性质，不同类型的金刚石可能适用于不同应用。通常，金刚石因其极端硬度、化学稳定性和高导热率而得到使用。将多晶金刚石或PCD广泛用作用于材料除去应用例如研磨、车削、木材加工、钻孔等的工具。对于许多应用，在高压高温PCD制造工艺期间，可以将PCD形成为层，将所述层整体粘结至碳化钨基底。
尽管PCD具有期望的高硬度和强度性质；但与其它含金刚石材料相比，其可能具有不太期望的性质。由于材料中存在钴，因此当暴露于高于约700℃的温度时，PCD具有不良热稳定性的问题并且经历严重破裂。在其中钴受到化学侵蚀的一些应用中，PCD还具有不良耐腐蚀性的问题。其它含金刚石材料，包括CVD金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物和热稳定性金刚石复合物，具有比PCD更好的热稳定性和耐腐蚀性。
在其中将金刚石暴露于高温的应用中，CVD金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物以及热稳定性金刚石复合物可能比PCD优选。此外，通常不将CVD金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物以及热稳定性金刚石复合物连结至基底材料。为了将CVD金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物以及热稳定性金刚石复合物引入工具和其它制品中，期望具有成本有效的连结至基底材料的方法。
可将含金刚石材料形成为薄层，其厚度在约0.1mm至约3.0mm，例如包括约0.5mm至约2.0mm。这些层由于其尺寸而机械性弱，并且需要结构支撑以用于工具中。基底的主要功能可以是向金刚石提供这种结构支撑。基底材料的选择取决于各应用的需求。广泛用作基底材料的碳化钨可能因其高强度、韧性、硬度以及钎焊至钢工具架的能力而经常得以选中。
可以根据预期应用的需求而选择其它基底。可以选择钢以用于其中并非必需碳化钨的高硬度的应用中。当需要化学惰性时，可以选择陶瓷基底。可将两片金刚石复合材料彼此连结以形成厚度大于任一单层的金刚石复合物。
在一个实施方式中，所述钎焊的涂布的含金刚石材料可以包含耐火金属层。该耐火金属层可以包含耐火金属或耐火金属合金。耐火金属或耐火金属合金的选择可以不受特别限制，只要该耐火金属层或合金可以涂布含金刚石材料、耐受至少约700℃的温度、可以由熔融的钎焊金属湿润或涂布并且可以与含金刚石材料形成强粘结即可。在一个示例性实施方式中，所述耐火金属或金属合金可以包含钨、钛、铌、锆、铬或钼和/或其组合。所述耐火金属可用以粘结至钎焊金属以及含金刚石材料，并且防止下面的含金刚石材料的氧化。此外，在一个示例性实施方式中，例如，所述耐火金属层的厚度可以为约0.1微米至约100微米，例如包括约0.1微米至25微米、包括约0.5微米至2微米、包括约1微米至2微米。
为了与含金刚石材料形成强粘结，所述耐火金属还可以是良好的碳化物形成体。在耐火金属和金刚石之间的界面处形成碳化物导致两种材料之间的高强度粘结。例如，钨可以提供期望的性质的组合，所述期望的性质包括高熔点、形成碳化钨（WC）的能力、抗氧化能力以及与常见钎焊合金的相容性。
可以通过涂布方法将耐火金属或金属合金直接沉积于含金刚石材料上以形成耐火金属层。将耐火金属涂布于含金刚石材料上的方法不受特别限制，只要耐火金属与含金刚石材料形成强粘结并且以如下方式在含金刚石材料上形成显著连续的耐火金属层即可，该方式使得至少涂布含金刚石材料的一部分。形成耐火金属层的涂布方法可以包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、蒸发、无电镀、电镀、热扩散或者其组合或系列。
化学气相沉积可能是一种特别适合的涂布方法。在使用CVD的情况下，可以施加具有非常均匀且充分控制的厚度的高纯度涂层。可以以涂层和含金刚石材料之间的极强粘结制造CVD涂层。
在一个示例性实施方式中，钎焊的涂布的含金刚石材料可以包含任选的碳化物层。该碳化物层可以包含耐火金属碳化物或耐火金属合金碳化物。当形成时，该碳化物层可以形成连续或不连续的材料层，所述材料层将耐火金属层粘结至含金刚石材料。可以在耐火金属层和含金刚石材料的界面处形成金属碳化物或金属合金碳化物；因此，该耐火金属层可以至少包含耐火金属、耐火金属合金和/或含金刚石材料的元素。
可以在任何步骤期间形成所述碳化物层。如果形成，那么该碳化物层可以用于提高含金刚石材料和耐火金属层彼此的连结性。任选的碳化物层可以形成含有孔的连续层或在碳化物层的材料之间含有间隙的不连续层，其中第一种含金刚石材料和耐火金属层可以彼此直接接触。因为金属碳化物层可能比含金刚石材料或耐火金属更易碎，所以应将金属碳化物层的厚度最小化。在提高含金刚石材料与耐火金属层的连结性方面，仅非常薄的层便可能有利。在一些实施方式中，所述碳化物层的厚度可为例如约0.005μm至约5μm。可由所沉积的耐火金属中所含的金属原子和含金刚石材料中所含的碳原子之间的反应形成所述耐火金属碳化物。因此，耐火金属碳化物的组成可取决于耐火金属层的元素组成。
可以在仅沉积碳化物层而无后续耐火金属层的初始步骤例如热反应性扩散期间形成所述碳化物层。可以在形成该碳化物层之后使用例如物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、蒸发、无电镀、电镀、热扩散和/或者其组合或系列的工艺形成耐火金属层。
在一个示例性实施方式中，钎焊的涂布的含金刚石材料可以包含钎焊金属层。该钎焊金属层可以包含钎焊金属或钎焊金属合金。钎焊金属或钎焊金属合金的选择可以不受特别限制，只要所述钎焊金属或合金适于将耐火金属层和基底钎焊即可。所述钎焊金属可以包含银、铜、锰、镍、锌、铂、铬、硼、钛、锡、硅、镉、金、铝、铟或者其合金或复合物。
含有约40%至约60%的Ag的钎焊合金例如可为用于将这种材料接合至铁类金属的实用组合物。适用于将铁类金属接合至钨涂布的含金刚石材料的钎焊金属的两个实例为
Braze560（美国，WI，公司），其具有56%的Ag、22%的Cu、17%的Zn和5%的Sn的组成和650℃的液线，以及
Braze452，其具有45%的Ag、27%的Cu、25%的Zn和3%的Sn的组成，和680℃的液线。
一种适用于将钨涂布的含金刚石材料钎焊至碳化钨的钎焊金属为
Braze495，其组成为49%的Ag、16%的Cu、23%的Zn、7.5%的Mn和4.5%的Ni。来自其它制造商的具有类似组成的钎焊金属也可能合适。Braze495配制成液线温度为700℃的低温钎焊料。
在一个示例性实施方式中，钎焊的涂布的含金刚石材料可包括基底。基底层可以包含第二种含金刚石材料、硬质合金、多晶立方氮化硼（PcBN）超硬磨料、陶瓷、金属、金属合金和/或其组合。
例如，所述基底可具有两种主要功能。第一，基底可以向金刚石层提供结构支撑，以便可以将相对薄的金刚石层用于提供工具的耐磨性。在不使用支撑基底的情况下，金刚石层将不具有足以耐受在工具应用期所间施加应力的强度。第二，基底可以提供将金刚石层连结至工具架的手段。在无相对厚且强的基底的情况下，实现将金刚石连结至工具架可能要难得多。
在一些实施方式中，可能期望可以从单个金刚石层制造尺寸超过那些单个金刚石层的尺寸的金刚石体。在这些情况下，期望具有构建由两个或更多个相互粘结的金刚石层构成的主体的手段。可以在单次操作或连续操作中将多层钎焊在一起，以构造具有期望厚度的金刚石体。
在一个示例性实施方式中，用于制造钎焊的涂布的含金刚石材料的方法可以包括：将涂布的含金刚石材料钎焊至基底。在所述方法的一个实施方式中，所述涂布的含金刚石材料可以包含：第一种含金刚石材料；任选的碳化物层，其可以包含耐火金属碳化物，其中所述碳化物层可以与含金刚石材料直接接触，并且所述碳化物层可以是连续或不连续的；耐火金属层，其包含耐火金属或耐火金属合金，其中所述耐火金属层与所述碳化物层或所述第一种含金刚石材料直接接触。
在所述方法的一个示例性实施方式中，钎焊步骤可以包括任一顺序的以下子步骤：将钎焊金属、耐火金属层和基底中的至少一者加热至高于液线温度的足以熔融钎焊金属的温度；并且使钎焊金属与耐火金属层和基底层两者都接触以形成钎焊金属层。在所述方法的一个示例性实施方式中，例如，所述钎焊金属可以包含银、铜、锰、镍、锌、钯、铬、硼、钛、硅、镉、金、铝、铟或者其合金或复合物。在所述方法的一个示例性实施方式中，例如，所述基底可以包含第二种含金刚石材料、硬质合金、多晶立方氮化硼（PcBN）超硬磨料、陶瓷、金属、金属合金和/或其组合。
在一个示例性实施方式中，所述接触（bringing）子步骤可以包括使钎焊金属与耐火金属层和基底层接触。所述接触子步骤可以不受特别限制，只要钎焊金属的接触使得与耐火金属层和基底两者都物理接触即可。例如，所述接触子步骤可以包括使用例如箔形式的钎焊金属将钎焊金属物理定位于耐火金属层和基底之间。此外，所述接触子步骤也可以包括涂布方法例如物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、蒸发、无电镀、电镀或者其组合或系列，从而在加热子步骤之前将钎焊金属涂布于耐火金属层和基底中的至少一者上。
在一个示例性实施方式中，加热子步骤不受特别限制，只要将钎焊金属、耐火金属层和基底中的至少一者加热至高于液线温度或熔点的足以熔融钎焊金属的温度即可。在一个实施方式中，例如，钎焊步骤可以包括施加热源以至少将钎焊金属加热至约700℃至约1000℃的温度。此外，热源不受特别限制，只要其能够至少将钎焊金属加热至例如约700℃至约800℃的温度即可。例如，热源可以为焊灯、炉子、微波装置、弧焊机、激光器或感应线圈中的至少一种。
根据一个实施方式，使用感应线圈存在优势。感应线圈相对易于使用、廉价并且常见。将感应线圈用于钎焊的非金刚石材料是公知的，例如用于将碳化钨切割工具钎焊至钢工具体。用感应线圈进行钎焊是简单、快速、有效的，并且需要非常低的资金起动成本。最佳温度范围取决于所选的钎焊金属。通常，最佳温度恰好高于钎焊金属的液线温度。在钎焊工艺期间，钎焊操作者可以观察材料被钎焊以证明熔融。钎焊操作者可以在钎焊料流动开始时关闭来自感应线圈的电力。
在一个示例性实施方式中，将含金刚石材料钎焊的方法可以包括在环境大气压力下和/或在空气存在下进行钎焊的能力。这种能力允许用低成本广泛可得的钎焊设备例如感应线圈进行钎焊。此外，在空气中进行感应钎焊所需的技术、专业技能和知识是公知的。这些因素应允许在工具和应用中广泛采用金刚石材料而无需让目前的那些钎焊工具制造从事者进行重大的新投资。
在环境气压中和在空气中可能不会成功地钎焊未涂布的含金刚石材料。解释金刚石的空气钎焊为什么失败的一种理论认为，空气中存在的氧气与金刚石以及钎焊金属中所含的活性金属元素反应。氧气和活性金属元素反应形成各种氧化物化合物，其干扰钎焊金属和金刚石之间的粘结。已知除去氧气会使得使用在空气钎焊时不成功的钎焊料也能成功地进行金刚石钎焊。可以通过使用惰性覆盖气体例如氩气或通过使用高真空室除去所有气态元素以除去氧气。通过首先用对金刚石形成强粘结的耐火金属涂布含金刚石材料，消除了在钎焊料中使用活性金属元素的需要。然后可以将已知在所选耐火金属和基底之间形成强粘结并且与空气钎焊相容的钎焊金属用于将涂布的含金刚石材料接合至基底。此外，仍可以在环境气压和添加空气的条件下进行钎焊。
具体实施方式
实施例1
使用以下方法将含金刚石材料的样品钎焊至碳化钨基底。该含金刚石材料是称为
（美国，OH，DIAMOND
的可商购获得的金刚石复合物。该金刚石复合物包含约80体积%的金刚石和20体积%的碳化硅，以及少量（<2.0体积%）硅。通过线EDM（电火花加工）制造
样品，所述线EDM将其切成测量为0.260"直径和0.125"厚度的圆柱。将碳化钨样品（8%的Co含量）研磨至0.125"的厚度，且然后用线EDM切至0.260"直径。通过使用玻璃珠对圆形平坦表面喷砂处理且然后通过在丙酮中冲洗所述部分以清洁
和碳化钨样品。将CVD涂层W施加至
样品。CVD涂层的厚度为8微米。通过在空气中使用
Braze495钎焊箔以及Sta-
Black Flux（美国，OH，哈里斯产品集团（Harris Products Group））进行感应钎焊将
样品钎焊至碳化钨基底。
然后将钎焊样品OD（外径）研磨至0.250"的直径，并且使用4206万能试验机（美国，MA，
公司）测量钎焊接头的剪切强度。将样品固定在向钎焊接头施加剪切负载的剪切试验固定件中。将样品负载至失效点，并且将最大剪应力称为剪切强度。对总共四（4）个样品进行试验，剪切强度为21.4ksi、38.9ksi、36.9ksi和44.6ksi。在光学显微镜中在10倍放大率下检查样品以评价钎焊失效方式。在剪切强度大于35ksi的三个样品中，失效主要含于钎焊层中，表明金刚石-涂层、涂层-钎焊料和钎焊料-WC界面的剪切强度超过钎焊层的剪切强度。对于高强度钎焊料连结，期望这种类型的失效。在剪切强度为21.4ksi的样品中，露出W涂层的区域，表明一些失效发生在钎焊料-涂层界面中，从而降低钎焊接头的所得剪切强度。钎焊料对W涂层的不良湿润可能是较低剪应力的解释，并且很可能是由对涂布的金刚石表面或钎焊箔的不完全清洁所引起的。
实施例2
使用以下方法将含金刚石材料的样品钎焊至碳化钨基底。该含金刚石材料是称为COMPAXTM（美国，OH，DIAMOND
可商购获得的热稳定性PCD金刚石复合物，其为基本上无催化剂金属的完全浸出的金刚石复合物。如下制造热稳定性COMPAXTM的样品：首先用线EDM（电火花加工）将其切成测量为0.260"直径和0.125"厚度的圆柱，且然后通过化学浸出工艺除去金属粘结剂。将碳化钨样品（8%的Co含量）研磨至0.125"的厚度，且然后用线EDM切至0.260"直径。通过使用玻璃珠对圆形平坦表面喷砂处理且然后通过在丙酮中冲洗所述部分以清洁COMPAXTM和碳化钨样品。将CVD涂层W施加至COMPAXTM样品。CVD涂层的厚度为约5微米。通过在空气中使用
Braze495钎焊箔以及
White Flux（美国，OH，哈里斯产品集团）进行感应钎焊将
样品钎焊至碳化钨基底。
然后将钎焊样品OD（外径）研磨至0.250"的直径，并且使用
4206万能试验机（美国，MA，
公司）测量钎焊接头的剪切强度。将样品固定在向钎焊接头施加剪切负载的剪切试验固定件中。将样品负载至失效点，并且将最大剪应力称为剪切强度。对总共五（5）个样品进行试验，剪切强度为51.9ksi、48.5ksi、49.8ksi、49.9ksi和49.8ksi。在光学显微镜中在10倍放大率下检查样品以评价钎焊失效方式。在所有五个样品中，失效都主要含于钎焊层中，表明金刚石-涂层、涂层-钎焊料和钎焊料-WC界面的剪切强度超过钎焊层的剪切强度。对于高强度钎焊料连结，期望这种类型的失效。在三个样品中，有COMPAXTM材料发生破裂的证据，表明钎焊料和粘结的钎焊料/COMPAXTM界面的强度超过COMPAXTM材料的失效应力。
实施例3
使用以下方法将含金刚石材料的样品钎焊至碳化钨基底。称为
（美国，OH，DIAMOND
的金刚石复合物包含约80体积%的金刚石和20体积%的碳化硅，以及少量（<2.0体积%）硅。如下制造
的样品：由线电火花加工（EDM）将其切成测量为0.260"直径和0.125"厚度的圆柱。将碳化钨样品（8%的Co含量）研磨至0.125"的厚度，且然后用线EDM切至0.260"直径。通过使用玻璃珠对圆形平坦表面喷砂处理且然后通过在丙酮中冲洗所述部分以清洁
样品。通过使用玻璃珠对圆形平坦表面喷砂处理以清洁碳化钨样品。
使用热扩散法将Cr涂层施加至
样品。使用SEM/EDAX将涂层厚度测量为约1微米。通过在异丙醇中冲洗所述部分以进一步清洁涂布的
样品。通过在空气中使用
Braze495钎焊箔以及
Black Flux（美国，OH，哈里斯产品集团））进行感应钎焊将
样品钎焊至碳化钨基底。
然后将钎焊样品OD（外径）研磨至0.250"的直径，并且使用
4206万能试验机（美国，MA，
公司）测量钎焊接头的剪切强度。将样品固定在向钎焊接头施加剪切负载的剪切试验固定件中。将样品负载至失效点，并且将最大剪应力称为剪切强度。对总共五（5）个样品进行试验，剪切强度为34.3ksi、43.1ksi、38.6ksi、43.9ksi和42.3ksi。在光学显微镜中在10倍放大率下检查样品以评价钎焊失效方式。在所有五个样品中，失效都主要含于钎焊层中，表明金刚石-涂层、涂层-钎焊料和钎焊料-WC界面的剪切强度超过钎焊层的剪切强度。对于高强度钎焊料连结，期望这种类型的失效。
Claims (34)
1.一种钎焊的涂布的含金刚石材料，其包含：
第一种含金刚石材料；
包含耐火金属或耐火金属合金的耐火金属层，其中将所述耐火金属层可操作地连接至所述第一种含金刚石材料；
包含钎焊金属的钎焊金属层，其中使所述钎焊金属层与所述耐火金属层的至少一部分直接接触；和
基底，其中使所述基底的表面的至少一部分与所述钎焊金属层直接接触。
2.根据权利要求1所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其还包括碳化物层，其中将所述碳化物层夹在所述第一种含金刚石材料和所述耐火金属层之间。
3.根据权利要求2所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中所述碳化物层包含耐火金属碳化物。
4.根据权利要求1所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中所述基底包含第二种含金刚石材料、硬质合金、多晶立方氮化硼（PcBN）超硬磨料、陶瓷、金属、金属合金和/或其组合中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中所述第一种含金刚石材料包含单晶金刚石、化学气相沉积的金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物、钴-多晶金刚石复合物、热稳定性金刚石复合物和/或其组合中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中所述第二种含金刚石材料包含单晶金刚石、化学气相沉积的金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物、钴-多晶金刚石复合物、热稳定性金刚石复合物和/或其组合中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中
所述耐火金属包含钨、钛、铌、锆、钽、钒、铬或钼；并且
所述耐火金属合金包含至少一种耐火金属。
8.根据权利要求1所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中所述耐火金属合金还包含非耐火金属。
9.根据权利要求3所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，
其中所述耐火金属层的厚度为约0.1μm至约100μm。
10.根据权利要求3所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中通过涂布方法将所述耐火金属或所述耐火金属合金沉积于所述含金刚石材料上以形成所述耐火金属层以及任选地所述碳化物层。
11.根据权利要求10所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中所述涂布方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、蒸发、无电镀、电镀、热扩散或者其组合或系列。
12.根据权利要求1所述的钎焊的涂布的含金刚石材料，其中所述钎焊金属包含银、铜、锰、镍、锌、钯、铬、硼、钛、锡、硅、镉、金、铝、铟或者其合金或复合物中的至少一种。
13.一种方法，其包括：将耐火金属层施加至第一种含金刚石材料；
施加热源以在预定温度下加热钎焊金属、所述耐火金属层和基底，以使所述钎焊金属熔融；并且
使所述熔融的钎焊金属与所述耐火金属层和基底接触。
14.根据权利要求12所述的方法，其还包括在所述基底和所述耐火金属层之间形成钎焊金属层。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述钎焊金属包含银、铜、锰、镍、锌、钯、铬、硼、钛、锡、硅、镉、金、铝、铟或者其合金或复合物中的至少一种。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述热源为焊灯、炉子、微波装置、弧焊机、激光器或感应线圈中的至少一种。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述热源为感应线圈。
18.根据权利要求13所述的方法，其中将所述预定温度在约700℃至约1000℃维持至少约5秒的时段。
19.一种将涂布的含金刚石材料钎焊至基底的钎焊方法，其包括：
施加热源以在预定温度下加热钎焊金属、耐火金属层和基底，以使所述钎焊金属熔融；并且
在所述耐火金属层和所述基底之间形成钎焊金属层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述含金刚石材料包含：
第一种含金刚石材料；和
包含耐火金属或耐火金属合金的耐火金属层，其中将所述耐火金属层可操作地连接至所述第一种含金刚石材料。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述含金刚石材料还包括碳化物层，其中将所述碳化物层夹在所述第一种含金刚石材料和所述耐火金属层之间。
22.根据权利要求19所述的方法，其还包括使所述熔融的钎焊金属与所述耐火金属层和所述基底接触。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述钎焊金属层包含银、铜、锰、镍、锌、钯、铬、硼、钛、锡、硅、镉、金、铝、铟或者其合金或复合物中的至少一种。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述基底包含第二种含金刚石材料、硬质合金、多晶立方氮化硼（PcBN）超硬磨料、陶瓷、金属、金属合金和/或其组合。
25.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一种含金刚石材料包含单晶金刚石、化学气相沉积金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物、钴-多晶金刚石复合物、热稳定性金刚石复合物和/或其组合中的至少一种。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一种含金刚石材料包含单晶金刚石、化学气相沉积的金刚石、碳化硅粘结的金刚石复合物、钴-多晶金刚石复合物、热稳定性金刚石复合物和/或其组合中的至少一种。
27.根据权利要求20所述的方法，其中
所述耐火金属包含钨、钛、铌、锆、钽、钒、铬或钼；并且
所述耐火金属合金包含至少一种耐火金属和任选的至少一种非耐火金属。
28.根据权利要求21所述的方法，其中
所述碳化物层包含所述耐火金属或所述耐火金属合金的至少一种金属。
29.根据权利要求21所述的方法，其中所述碳化物层的厚度为约0.005μm至约5μm。
30.根据权利要求6所述的方法，其中所述预定温度为约700℃至约1000℃，持续至少约5秒的时段。
31.根据权利要求19所述的方法，其中所述热源为焊灯、炉子、微波装置、弧焊机、激光器或感应线圈中的至少一种。
32.根据权利要求19所述的方法，其中所述热源为感应线圈。
33.根据权利要求19所述的方法，其中在大气压力下并且在空气中实施所述钎焊方法。
34.根据权利要求19所述的方法，其中在惰性气体下实施所述钎焊方法。
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