Припой для соединения монокристаллов алмаза с металлами

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.

 

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 циркония	3-8
бориды	3-8
никель	остальное

(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.%:

медь	16,50-24,25
олово	17,35-24,25
титан	17,35-24,25
серебро	34,00-41,25

(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 ″точечные″ 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.%:

медь	14,4-18,4
олово	14,4-18,4
титан	14,4-18,4
карбид титана	4,5-15,6
карбид кремния	0,3-0,7
серебро	38,0-43,0

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.%	Соотношение	Температура пайки, °С	Эксплуатационные характеристики (суммарная длина сверления, мм)
Ag	Cu	Ti	Sn	TiC	SiC	Ag:Cu:Sn:Ti	при 20°С	при 700°С
38,0	15,24	15,24	15,28	15,28	0,7	3,1:1,2:1,2:1,2	1150	360	60
40,0	15,96	15,96	15,96	11,52	0,6	3,1:1,2:1,2:1,2	1100	420	80
43,0	17,4	17,4	17,4	4,5	0,3	3,1:1,2:1,2:1,2	1050	360	60

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.%:

Медь	14,4-18,4
Олово	14,4-18,4
Титан	14,4-18,4
Карбид титана	4,5-15,6
Карбид кремния	0,3-0,7
Серебро	38,0-43,0

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