RU2270743C2 - Solder for joining diamond monocrystals with metals - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy, namely solders for joining diamond monocrystals with Fe group metals and with alloys on base of such metals, possibly for making different type single-crystal tools used, for example in stomatology for making diamond heads and single-crystal drills.

SUBSTANCE: solder includes silver, copper, tin, titanium, titanium carbide, silicon carbide at preset relation of ingredients. Solder provides possibility for keeping improved operational parameters of tool till working temperature in range 700 - 750°C.

EFFECT: enhanced mechanical strength of joint allowing produce single-crystal tool with improved operational characteristics.

1 tbl, 1 ex

Description

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.The invention relates to the field of joining dissimilar materials, in particular, to solders for brazing and brazing of diamond single crystals with iron group metals and alloys based on them, and can find application for the manufacture of various kinds of single-chip tools, in particular for the medical industry of dental diamond heads, as well as for the manufacture of single-chip drills and other products using diamonds with both dielectric and semiconductor characteristics.

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.Known solder for brazing glass with metals, containing silver solder with additionally introduced titanium in the amount of 15-20% (av. St. USSR No. 150741, publ. 1962, IPC 23 K 35/30, C 22 C 5/06 ) However, this solder is unsuitable for joining diamond single crystals, since it does not provide the mechanical strength of the joint, sufficient for practical use in a single-chip tool. This solder does not contain titanium and silicon carbides, as well as tin, and when used for soldering diamonds, the diamond surface is strongly dissolved in silver and at the same time strong interaction of carbon, diamond and titanium occurs, which leads to the destruction of diamond and a significant decrease in the strength of the joint.

Известен также припой для пайки алмазоносной металлокерамической матрицы со стальным корпусом инструмента, содержащий (мас.%):Also known is a solder for brazing a diamond-bearing cermet matrix with a steel tool body, containing (wt.%):

карбид цирконияzirconium carbide 3-83-8 боридыborides 3-83-8 никельnickel остальноеrest

(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.(RF patent No. 853905. publ. 15.12.1993, IPC 23 K 35/32). This solder does not contain metals such as silver and titanium, which significantly change interfacial energy and wetting in the diamond-metal system, and also does not contain titanium and silicon carbides and tin, which regulate these processes, preventing the strong interaction of the diamond surface with nickel and its destruction, and therefore, this solder does not provide the necessary mechanical strength of the connection.

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.%:The closest in technical essence and the achieved result is a solder for obtaining ohmic contacts of synthetic diamond single crystals by connecting metal leads to semiconductor diamonds containing copper, tin, titanium, silver in relation (1-1.5) :( 1.05-1, 5) :( 1.05-1.5) :( 2-2.5), which corresponds to the following wt.%:

медьcopper 16,50-24,2516.50-24.25 оловоtin 17,35-24,2517.35-24.25 титанtitanium 17,35-24,2517.35-24.25 сереброsilver 34,00-41,2534.00-41.25

(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.(RF patent No. 2084032, publ. 07/10/97, IPC H 01 C 13/00 - prototype). This solder can only be used to obtain ohmic contacts by laser welding of thin wires (metal leads) with semiconductor diamond. The absence of titanium and silicon carbides in the solder, as well as the selected ratio of copper, tin, titanium and silver, does not allow to obtain mechanically strong compounds of diamond with metal, although they provide electrical characteristics and ohmic resistance of the contacts. Metals such as silver and copper interact quite strongly with the surface of the diamond, and titanium forms compounds in the form of carbides with diamond carbon, in the aggregate this leads (if not to consider ″ point ’ohmic contacts as in the prototype) to partial destruction of diamond, and therefore (ultimately), to a decrease in the bond strength of diamond with metal and to a significant decrease in the operational characteristics of a single-chip tool. The introduction of titanium and silicon carbides ensures the preservation of diamond single crystals during soldering, including over large areas, and the necessary bond strength.

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.The problem to which the invention is directed, is to create a solder that forms a strong connection of diamond single crystals with metals. The technical result obtained by carrying out the invention consists in a significant increase in the mechanical strength of such a compound to a level that makes it possible to create a single-chip tool with high performance characteristics, which can be maintained up to operating temperatures of 700-750 ° C.

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.%:The specified technical result is achieved in that the solder for connecting diamond single crystals with metals, containing silver, copper, tin, titanium, according to the invention additionally contains titanium and silicon carbides in the following ratio, wt.%:

медьcopper 14,4-18,414.4-18.4 оловоtin 14,4-18,414.4-18.4 титанtitanium 14,4-18,414.4-18.4 карбид титанаtitanium carbide 4,5-15,64,5-15,6 карбид кремнияsilicon carbide 0,3-0,70.3-0.7 сереброsilver 38,0-43,038.0-43.0

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.when the ratio of silver, copper, tin and titanium is 3.1: 1.2: 1.2: 1.2. The copper content in the amount of 14.4-18.4 and silver in the amount of 38.0-43.0 wt.% Provides sufficient wettability of the composition of the solder in relation to diamond, which is necessary to create conditions under which (at the soldering temperature) partial dissolution of the diamond surface and a slight diffusion of dissolved carbon atoms into the solder. Tin in the amount of 14.4-18.4 wt.% Not only effectively changes the melting temperature, but also provides a decrease in the dissolution rate in the solder. At the same time, the rate of carbide formation changes and the evaporation of metals at high temperatures during brazing decreases due to incongruence of melting. Titanium in an amount of 14.4-18.4 wt.% Not only increases the melting point, but also provides, due to carbide formation, a partial binding of dissolved carbon in order to reduce the brittleness of the solder-containing region of the metal-diamond compound. In this case, titanium is not oxidized and, at the same time, it prevents, as a getter element, the oxidation of other metals during brazing at high temperatures.

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.An additional introduction of 4.5-15.6 titanium carbide and 0.3-0.7 silicon carbide (with the indicated ratio of the remaining components) into the solder is necessary to effectively change the rate of interaction with metals such as copper, silver and titanium at the same time, due to the difference in the decomposition temperatures of titanium and silicon carbides in the presence of titanium and for a given wettability, the necessary intensity of both the diffusion of carbon into the metal and the metal from the composition of the solder into diamond, i.e. the soldering process is complex, having features like soldering, also partially welding. As a result, the required bond strength is achieved without embrittlement of the intermediate region between the metal and diamond. This ensures high performance single chip tool.

Пример осуществления способаAn example of the method

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.Solder was prepared by mixing powders of silver, copper, tin and titanium, followed by the addition of titanium and silicon carbides. Powders of the listed metals and carbides of 99.5% purity were used as starting components. To obtain solder, compounds with different contents of these components were prepared (see table). The prepared solder was used to make a single-chip tool in the form of drills made of steel grade P6. Soldering was carried out under vacuum (10 ^-3 mm Hg) or inert medium (argon) at temperatures of 1050-1150 ° C. The property of soldered joints and the bond strength of diamond single crystals with drill material was determined by operational characteristics, namely, by the total length of drilled holes in crystalline quartz for drills with a diameter of 0.4-0.5 mm, including at high operating temperature (700 ° C) . The use of solder according to the invention, as can be seen from the table, provides greater mechanical strength of single crystals of diamond fractions 500/400 with steel material and high performance characteristics of the drills made.

Состав сплава, мас.%The composition of the alloy, wt.% СоотношениеRatio Температура пайки, °СSoldering temperature, ° С Эксплуатационные характеристики (суммарная длина сверления, мм)Operational characteristics (total drilling length, mm) AgAg CuCu TiTi SnSn TiCTic SiCSiC Ag:Cu:Sn:TiAg: Cu: Sn: Ti при 20°С at 20 ° C при 700°Сat 700 ° C 38,038,0 15,2415.24 15,2415.24 15,2815.28 15,2815.28 0,70.7 3,1:1,2:1,2:1,23.1: 1.2: 1.2: 1.2 11501150 360360 6060 40,040,0 15,9615.96 15,9615.96 15,9615.96 11,5211.52 0,60.6 3,1:1,2:1,2:1,23.1: 1.2: 1.2: 1.2 11001100 420420 8080 43,043.0 17,417.4 17,417.4 17,417.4 4,54,5 0,30.3 3,1:1,2:1,2:1,23.1: 1.2: 1.2: 1.2 10501050 360360 6060

Claims (1)

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.%:Solder for joining diamond single crystals with metals containing silver, copper, tin, titanium, characterized in that it additionally contains titanium carbide and silicon carbide in the following ratio, wt.%: МедьCopper 14,4-18,414.4-18.4 ОловоTin 14,4-18,414.4-18.4 ТитанTitanium 14,4-18,414.4-18.4 Карбид титанаTitanium carbide 4,5-15,64,5-15,6 Карбид кремнияSilicon carbide 0,3-0,70.3-0.7 СереброSilver 38,0-43,038.0-43.0 при соотношении серебра, меди, олова и титана 3,1:1,2:1,2:1,2.when the ratio of silver, copper, tin and titanium is 3.1: 1.2: 1.2: 1.2.