CN203197518U - 单晶金刚石工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关于一种单晶金刚石工具，包括：一金属握持体，是包括设置于顶部的一凹槽；一切削部，是容置于该凹槽，且该切削部是由一单晶金刚石及一金属结合层组成，其中，该金属结合层乃与该单晶金刚石的表面形成碳化物；以及一焊料合金层，是焊接于该凹槽的内截面以及该金属结合层之间。据此，本实用新型利用颗粒尺寸较小的单晶金刚石制备的单晶金刚石工具，将可以解决已知多晶金刚石含有铬成份而导致被加工工件的光泽性变差问题。

Description

单晶金刚石工具

技术领域

本实用新型是关于一种金刚石切削工具，尤指一种单晶金刚石切削工具。 

背景技术

近年来，因半导体产业的蓬勃发展，各种使用超级磨料的工具，如研磨工具、切削工具等，因其符合半导体产品精细度的需求而被广泛地应用于半导体产业。 

已知超级磨料中，由于多晶金刚石因颗粒较大，易于通过各种方式黏附于工具上，故其最常被使用于上述工具中。然而，因多晶金刚石中常含有铬(Cr)，使用其制造的工具加工工件，经常会导致被加工工件的光泽度变差，使得工件于研磨、切削等工艺后，还需重新进行抛光工艺；此外，一般人工多晶金刚石颗粒主要都是将晶种、催化剂及碳原料层在高温高压装置(HTHP)下经过长时间的晶粒成长而形成，其制备时间长，且耗费成本高。因此，利用制备时间较短且生产成本更低的人工单晶金刚石制造所需的切削工具为目前急需发展的方向，虽可考虑以不含铬的单晶金刚石制造所需的切削工具，然而，受限于单晶金刚石尺寸，单晶金刚石制造的切削工具的使用寿命往往低于以多晶金刚石所制造的工具，并不符合制造成本的考虑。因此，发展一以单晶金刚石制造的切削工具，其能克服上述使用寿命的缺陷，实有其所需。 

据此，于本实用新型中，申请人利用一种能够提高金刚石握持力的方法，以使得颗粒尺寸较小的单晶金刚石得以稳固地固定于工具上，制造出以单晶金刚石作为超级磨料的切削工具，进而克服上述使用多晶金刚石制造的工具所衍生的问题。 

实用新型内容

本实用新型的主要目的是在提供一种单晶金刚石工具，是通过将单晶金刚石稳固地固着于工具上，制造出以单晶金刚石作为超级磨料的切削工具，以便能克服因多晶金刚石含有铬导致被加工工件光泽性变差及其衍生的问题。 

为达成上述目的，本实用新型是提供一种单晶金刚石工具，包括：一金属握持体，其顶部有一凹槽；一切削部，是容置于该凹槽，且该切削部是由一单晶金刚石及一金属结合层组成，其中，该金属结合层乃与该单晶金刚石的表面形成碳化物；以及一焊料合金层，是焊接于该凹槽的内截面以及该金属结合层之间。 

其中，该凹槽包括一容置部及一开口部，且该开口部的截面积小于该容置部的截面积。 

其中，该开口部还包括一卡持部，其是使该切削部卡合固定于该凹槽。 

其中，该单晶金刚石的最大边长为1毫米至5毫米。 

其中，该金属握持体为一模具钢材、钨钢、高硬度合金钢、不锈钢或高碳钢。 

其中，该金属结合层是至少一选自由钛、钒、硅、锰、钨、钼、锆、铪、钒、铌、钽、镤及铬所组成的群组。 

其中，该金属结合层的厚度为0.1微米至2微米。 

其中，该金属结合层是通过物理沉积法、化学沉积法、电镀法、烧结法或喷洒法而形成于该单晶金刚石表面。 

其中，该金属握持体及该切削部是通过焊料合金层在高温下硬焊结合，该焊料合金层为镍基金属成分。 

其中，在该单晶金刚石及该金属结合层间形成一冶金键结或一化学键结，或在该焊料合金层及该金属结合层间形成一冶金键结或一化学键结。 

其中，该焊料合金层是至少一选自由银、铁、钴、镍、铜、锡、锌、钛、铬、锰或铝，或及其合金所组成的群组。 

其中，该焊料合金层还包括硅、磷或硼。 

其中，该焊料合金层的厚度为1微米至20微米。 

其中，还包括在该单晶金刚石及该焊料合金层间的接触面形成一碳化 物或钛化物。 

本实用新型的有益效果是：其可克服因多晶金刚石含有铬导致被加工工件光泽性变差及其衍生的问题。 

附图说明

为使审查员能进一步了解本实用新型的结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例详细说明如后，其中： 

图1A是本实用新型第一实施例的单晶金刚石工具的示意图。 

图1B是本实用新型第一实施例的单晶金刚石工具顶部的立体示意图。 

图2A是本实用新型第二实施例的单晶金刚石工具的示意图。 

图2B是本实用新型第二实施例的单晶金刚石工具顶部的剖视图 

图3A是本实用新型第二实施例的单晶金刚石工具顶部的立体示意图。 

图3B是本实用新型第三实施例的单晶金刚石工具顶部的立体示意图。 

图4A至4D是本实用新型第二实施例的单晶金刚石工具的制造流程示意图。 

具体实施方式

已知技术中，虽不含铬的单晶金刚石所制造的切削工具，相较于以多晶金刚石所制造的切削工具而言，较可保持被加工工件的光泽性。然而，受限于单晶金刚石尺寸，已知以单晶金刚石制造的切削工具的使用寿命往往低于以多晶金刚石所制造的工具，据此，申请人提出一种单晶金刚石工具，通过有效提高金刚石握持力，使其使用寿命得以增加，进而解决于已知技术中，被加工工件光泽性不佳的问题。 

为达成上述目的，本实用新型是提供一种单晶金刚石工具，包括：一金属握持体，其顶部有一凹槽；一切削部，是容置于该凹槽，且该切削部是由一单晶金刚石及一金属结合层组成，其中，该金属结合层乃与该单晶金刚石的表面形成碳化物；以及一焊料合金层，是焊接于该凹槽的内截面以及该金属结合层之间。 

于上述本实用新型的单晶金刚石工具中，该凹槽可包括一容置部及一开口部，且该开口部的截面积是小于该容置部的截面积，并且，为使单晶 金刚石于可稳固地固定在该凹槽，于本发明的一态样中，该开口部更可包括一卡持部，以使该切削部可卡合固定于该凹槽。 

于上述本实用新型的单晶金刚石工具中，单晶金刚石的尺寸并不特别限制，只要其可适当地容置于上述凹槽中即可，举例而言，该单晶金刚石的最大边长可为1毫米至5毫米。此外，基体的材料亦不特别限制，任何本领域已知的基体材料皆可使用，举例而言，该基体可为一模具钢材、钨钢、高硬度合金钢、不锈钢或高碳钢。 

一般而言，由于金刚石的化学惰性高，因此应用于切削工具中会显得相当稳定。然而，一般金属焊料与金刚石的接触角甚大，导致金刚石与焊料无法有效附着，亦无法润湿金刚石，虽已知技术以尝试各种方式以使得焊料得以有效附着于多晶金刚石上，然而，单晶金刚石受限于其尺寸较小，并不适合已知技术所采用的方式。 

据此，于上述本实用新型的单晶金刚石工具中，该基体及该切削部通过焊料合金层在高温下硬焊结合，且该焊料合金层是为镍基金属成分；此外，于该单晶金刚石及该金属结合层间可形成一冶金键结或一化学键结、或该焊料合金层及该金属结合层间可形成一冶金键结或一化学键结，从而使该切削部及该基体间获得强而有力的键结，进而使该切削部得以稳固地附着于该基体上。 

于上述本实用新型的单晶金刚石工具中，本实用新型并不特别限制金属结合层的组成。然而，考虑其需与单晶金刚石表面形成一冶金键结或一化学键结，该金属结合层的组成可至少一选自由钛、钒、硅、锰、钨、钼、锆、铪、钒、铌、钽、镤、及铬所组成的群组。类似地，本实用新型亦不特别限制焊料合金层的组成，只要其可与该金属结合层于熔融形成一冶金键结或一化学键结即可。举例而言，于本实用新型的一态样中，该焊料合金层可至少一选自由银、铁、钴、镍、铜、锡、锌、钛、铬、锰、铝、及其合金所组成的群组，以较佳地与该金属合金层结合。再者，考虑工艺的便利性，该焊料合金层的组成更可包括硅、磷、硼，或其类似成份，以使该高温焊接工艺可于较低的温度下熔融该焊料合金层。更具体地，于本实用新型的特定态样中，该焊料合金层是为镍铬合金(Ni-Cr)、镍铬硅硼合金(Ni-Cr-Si-B)、或铬锰硅铝合金(Cr-Mn-Si-Al)。 

此外，于本实用新型的一态样中，上述以高温硬焊结合该基体及该切削部，可于真空环境中，将其加热到900至1200℃，使焊料合金层形成熔融态，从而达到于该单晶金刚石及该金属结合层间形成一冶金键结或一化学键结，以及该焊料合金层及该金属结合层间形成一冶金键结或一化学键结。因此，于本实用新型的单晶金刚石工具中，根据所选的金属合金层及焊料合金层的组成，还包括在该单晶金刚石及该焊料合金层间的接触面形成一碳化物或钛化物，以提高金刚石握持力，达到固定单晶金刚石的功效。具体而言，于本实用新型的一态样中，所形成的碳化物或钛化物可为钛钒合金(TiV)、钛铬合金(TiCr)、碳化钛(TiC)、或硼化钛(TiB)。 

于上述本实用新型的单晶金刚石工具中，金属结合层的厚度并不特别限制，较佳地，该金属结合层的厚度可为0.1微米至2微米。于本实用新型的一特定态样中，该金属结合层的厚度可为2微米，以充分使该单晶金刚石可稳固地附着于该凹槽中。此外，本实用新型亦不特别限制涂布金属结合层的方法，举例而言，该金属结合层可通过物理沉积法、化学沉积法、电镀法、烧结法、或喷洒法而形成于该单晶金刚石表面。于本发明的一特定态样中，该金属结合层是以物理沉积法形成于该单晶金刚石的表面。 

于上述本实用新型的单晶金刚石工具中，焊料合金层的厚度亦不特别限制，只要其能充分填充于切削部及凹槽的内截面间，以将切削部固定于该凹槽中即可。举例而言，于本实用新型的一态样中，该焊料合金层的厚度可为1微米至20微米，较佳地，于本实用新型的一特定态样中，该焊料合金层的厚度可为10微米。 

于本实用新型中，“润湿”一词是指熔化的金属因其表面张力而附着于超级磨粒上，且可导致超级磨粒与熔化金属间的化学键结。 

于本实用新型中，“冶金键结”一词是指两个或以上的金属间的键结，该键结可为金属间简单的机械力锁固或键结，如：液态金属或固态金属间形成的键结；亦或，为一化学性质，如：典型发生于金属键的离子键结。 

于本实用新型中，“化学键结”一词是指于原子间形成分子键结力，使得原子间形成坚固的结合，于本实用新型中所述的化学键结，当发生在金刚石时，基本上为碳键。 

以下，将通过各实施例，详细描述本实用新型的单晶金刚石工具。 

请参考图1A，是本实用新型第一实施例的单晶金刚石工具1示意图。该单晶金刚石工具1包括一金属握持体11；以及一切削部12。请一并参考图1B，是图1A的A部分的放大图，显示第一实施例的单晶金刚石工具1于切削部12处的立体示意图。是以，由图1A及1B所示，本实用新型第一实施例的单晶金刚石工具1包括一金属握持体11，其顶部有一凹槽111；一切削部12，是容置于该凹槽111，且该切削部12是由一单晶金刚石121及一金属结合层122组成，其中，该金属结合层122与该单晶金刚石121的表面形成碳化物；以及一焊料合金层13，是焊接于该凹槽111的内截面1111以及该金属结合层122之间。于本实用新型第一实施例中，该单晶金刚石的最大边长是为1毫米；该金属结合层122是为钛且其厚度为0.1微米；该焊料合金层13是为镍铬合金(Ni-Cr)焊料粉，据此，在1000℃下，经高温焊接处理后，该金属结合层122是与该单晶金刚石表面形成碳化钛(TiC)，以及该金属结合层122与该焊料合金层13间是形成钛铬合金(TiCr)。据此，即可稳固地将由单晶金刚石121所组成的切削部12固定于金属握持体11上，完成本实用新型第一实施例的单晶金刚石工具1。 

请参考图2A，是本实用新型第二实施例的单晶金刚石工具2示意图。该单晶金刚石工具2包括一金属握持体2；以及一切削部22。请一并参考图2B，是图2A的B部分的放大图，显示第二实施例的单晶金刚石工具2于切削部22处的剖视图。如图2A及2B所示，本实用新型第二实施例的单晶金刚石工具2包括一金属握持体21，其顶部有一凹槽211；一切削部22，是容置于该凹槽211，且该切削部22是由一单晶金刚石221及一金属结合层222组成，其中，该金属结合层222与该单晶金刚石221的表面形成碳化物；以及一焊料合金层23，是焊接于该凹槽211的内截面2111以及该金属结合层222之间。 

请参考图3A，是第二实施例的单晶金刚石工具2顶部的立体示意图，更具体地显示该切削部22设置于该基体21顶部的凹槽211中。请一并参考图4A至4D，是本实用新型第二实施例的单晶金刚石工具的制造流程图。首先，如图4A及4B所示，是利用物理沉积法(例如，溅镀法)，将金属结合层222涂布于一单晶金刚石221的表面，以形成一切削部22，于此，该金属结合层222的组成是为钛且该其厚度约为2微米。接着，请参考图3A 及图4C，是提供一金属握持体21，并将上述制备的切削部22设置于该金属握持体21顶部的凹槽211中，接着，请参考图4D，是于该切削部22及该凹槽211内截面2111间填充作为焊料合金层23的镍铬硅硼合金(Ni-Cr-Si-B)焊料粉，接着，于真空环境中，以一高温焊接法加热至1000℃使焊料合金层23形成一熔融态，且在该单晶金刚石221及该金属合金层222间形成碳化钛(TiC)的化学键结，以及该金属合金层222及该焊料合金层23间形成化学键结或冶金键结，如钛铬合金(TiCr)或硼化钛(TiB)。 

据此，即可稳固地将由单晶金刚石221所组成的切削部22固定于金属握持体21上，完成本实用新型第一实施例的单晶金刚石工具2。 

如上述，本实用新型的单晶金刚石工具，于凹槽开口部还可包括一卡持部，以卡合固定该切削部。请参考图3B，是本实用新型第三实施例的单晶金刚石工具3顶部的立体示意图。与第二实施例大致相同，所不同处仅在于第三实施例的金属握持体31顶部的凹槽311于开口部312处还包括一卡持部313，以卡合固定该切削部32，据此，于高温焊接以及使用过程中，第三实施例的切削部32可更稳固地固定于凹槽311中而不易脱落。此外，于第三实施例中，金属结合层322的组成为钛及钒，并且以电弧沉积法涂布于该单晶金刚石321的表面；而焊料合金层(图未显示)的组成则为铬锰硅铝合金(Cr-Mn-Si-Al)，因此，当此实施例的单晶金刚石工具3经高温焊接后，该单晶金刚石321及该金属合金层322间形成碳化钛的化学键结及钛钒合金(TiV)的冶金键结；该金属合金层322及该焊料合金层间则形成如钛铬合金(TiCr)的冶金键结。 

据此，即可稳固地将由单晶金刚石321所组成的切削部32固定于金属握持体31上，完成本实用新型第三实施例的单晶金刚石工具3。 

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本实用新型所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。 

Claims (10)

1.一种单晶金刚石工具，其特征在于，包括： 

一金属握持体，其顶部有一凹槽； 

一切削部，容置于该凹槽，且该切削部由一单晶金刚石及一金属结合层组成，其中，该金属结合层与该单晶金刚石的表面形成碳化物；以及 

一焊料合金层，焊接于该凹槽的内截面以及该金属结合层之间。 

2.如权利要求1所述的单晶金刚石工具，其中，该凹槽包括一容置部及一开口部，且该开口部的截面积小于该容置部的截面积。 

3.如权利要求2所述的单晶金刚石工具，其中，该开口部还包括一卡持部，其是使该切削部卡合固定于该凹槽。 

4.如权利要求1所述的单晶金刚石工具，其中，该单晶金刚石的最大边长为1毫米至5毫米。 

5.如权利要求1所述的单晶金刚石工具，其中，该金属握持体为一模具钢材、钨钢、高硬度合金钢、不锈钢或高碳钢。 

6.如权利要求1所述的单晶金刚石工具，其中，该金属结合层的厚度为0.1微米至2微米。 

7.如权利要求1所述的单晶金刚石工具，其中，该金属结合层是通过物理沉积法、化学沉积法、电镀法、烧结法或喷洒法而形成于该单晶金刚石表面。 

8.如权利要求1所述的单晶金刚石工具，其中，在该单晶金刚石及该金属结合层间形成一冶金键结或一化学键结，或在该焊料合金层及该金属结合层间形成一冶金键结或一化学键结。 

9.如权利要求1所述的单晶金刚石工具，其中，该焊料合金层的厚度为1微米至20微米。 

10.如权利要求1所述的单晶金刚石工具，其中，还包括在该单晶金刚石及该焊料合金层间的接触面形成一碳化物或钛化物。 

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