一種高性能聚晶金剛石複合片的製作方法

2023-05-28 09:02:01 1

本發明涉及一種高性能聚晶金剛石複合片。

背景技術：

聚晶金剛石(PCD)是由金剛石粉與結合劑在高溫高壓環境下燒結而成的複合材料。PCD材料的硬度是硬質合金的數倍，接近金剛石單晶的硬度，具有良好的耐磨性和韌性，同時還具有各向同性，可製成不同尺寸和形狀的製品，大大擴充了工業金剛石的應用領域，已被廣泛應用於地質與礦產鑽探、非金屬材料的加工與有色金色切削等領域。

劉磊等(金剛石與磨料磨具工程，2015年8月，第4期)研究了矽鈦結合劑聚晶金剛石的製備與性能，其以粒度分別為25μm和10μm的金剛石粉以及結合劑Si-Ti-B粉末為原料，經混料後在85MPa，3.0～3.8kW下合成矽鈦結合劑聚晶金剛石。常規聚晶金剛石的合成多通過優選結合劑的種類和用量來改善聚晶金剛石的耐熱性或磨耗比等參數，但聚晶金剛石的熱穩定性、抗衝擊、耐磨性能等綜合性能難以得到兼顧，在實際應用中受到限制。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種高性能聚晶金剛石複合片，其具有良好的熱穩定性、抗衝擊及耐磨性能。

為了實現目的，本發明所採用的技術方案是：

一種高性能聚晶金剛石複合片，由包括以下步驟的方法製備而成：

1)在真空條件下，將金剛石粉在750℃～1500℃下保溫30～120min，得到微石墨化產物；

2)向微石墨化產物中加入矽粉、滷化物混合均勻，得到混合料；

3)在硬質合金基體上放置混合料，然後在壓力為5～8GPa、溫度為1400～2000℃下燒結，即得。

本發明提供的高性能聚晶金剛石複合片，首先對金剛石粉進行微石墨化反應，再通過加入矽粉、滷化物並控制反應條件，在聚晶金剛石層內部形成納米SiC顆粒或晶須，納米SiC顆粒或碳化矽晶須一方面可以起到阻礙裂紋擴展；另一方面可以填充金剛石間空隙，與金剛石間形成化學鍵，橋連金剛石，同時SiC具有高的抗氧化特性，納米SiC顆粒或晶須的存在提高了金剛石複合片的熱穩定性、耐磨性和抗衝擊性能。

步驟1)中，所述真空條件的真空度為1×10-3～1×10-5Pa。

所述金剛石粉的粒徑為0.1～40μm。所述金剛石粉是由金剛石顆粒經淨化後得到的。所述淨化是採用酸、鹼或丙酮進行洗滌。

酸為濃硫酸、濃鹽酸、濃硝酸中的一種或多種混合；鹼為濃氨水、氫氧化鈉溶液、雙氧水、次氯酸中的一種或多種混合。淨化過程可除去金剛石顆粒表面的水分、氧化物等雜質。

步驟2)中，矽粉的加入量為微石墨化產物質量的1％～10％，滷化物的加入量為微石墨化產物質量的0.5％～3％。

優選的，所述矽粉的粒徑為50nm～10μm。所述滷化物為氯化鈉、氯化鉀、氯化鐵中的一種或多種混合。

步驟3)中，所述硬質合金基體為含鈷硬質合金，鈷的質量含量為13％～20％。燒結時，在1400～2000℃保溫5～40min。

本發明的高性能聚晶金剛石複合片，原料簡單易得，製備工藝過程易於控制，無需增加生產設備，生產成本低，所得聚晶金剛石綜合性能良好，適合大規模推廣應用。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。以下實施例中，淨化過程所用濃硫酸的質量濃度為98％，濃鹽酸質量濃度為37％，濃硝酸質量濃度為65％，濃氨水質量濃度為25％，氫氧化鈉溶液質量濃度為40％，雙氧水質量濃度為30％，次氯酸質量濃度為40％。矽粉的粒徑為50nm～10μm。

實施例1

本實施例的高性能聚晶金剛石複合片，由包括以下步驟的方法製備而成：

1)將金剛石顆粒用濃硫酸洗滌，乾燥，得到金剛石粉；金剛石粉的粒徑為0.1μm～30μm；

2)將金剛石粉置於高真空爐中，在真空度為8×10-4Pa，溫度為900℃下保溫120min，得到微石墨化產物；

3)向微石墨化產物中加入矽粉、氯化鈉(矽粉、氯化鈉的加入量分別為微石墨化產物質量的5％、0.6％)混合均勻，得到混合料；

4)在Co質量含量為13％的硬質合金基體上放置混合料，然後在壓力為7GPa、溫度為1750℃下燒結12min，即得。

實施例2

本實施例的高性能聚晶金剛石複合片，由包括以下步驟的方法製備而成：

1)將金剛石顆粒用濃氨水洗滌，乾燥，得到金剛石粉；金剛石粉的粒徑為0.1μm～30μm；

2)將金剛石粉置於高真空爐中，在真空度為5×10-4Pa，溫度為1100℃下保溫90min，得到微石墨化產物；

3)向微石墨化產物中加入矽粉、氯化鉀(矽粉、氯化鉀的加入量分別為微石墨化產物質量的7％、0.7％)混合均勻，得到混合料；

4)在Co質量含量為16％的硬質合金基體上放置混合料，然後在壓力為7.5GPa、溫度為1800℃下燒結10min，即得。

實施例3

本實施例的高性能聚晶金剛石複合片，由包括以下步驟的方法製備而成：

1)將金剛石顆粒用丙酮洗滌，乾燥，得到金剛石粉；金剛石粉的粒徑為5μm～35μm；

2)將金剛石粉置於高真空爐中，在真空度為5×10-4Pa，溫度為1200℃下保溫30min，得到微石墨化產物；

3)向微石墨化產物中加入矽粉、氯化鐵(矽粉、氯化鐵的加入量分別為微石墨化產物質量的10％、1％)混合均勻，得到混合料；

4)在Co質量含量為16％的硬質合金基體上放置混合料，然後在壓力為8GPa、溫度為1900℃下燒結6min，即得。

在本發明的其他實施例中，淨化過程可採用濃鹽酸、濃硝酸、氫氧化鈉溶液、雙氧水、或次氯酸，採用與實施例1相同的工藝參數，可製備性能相當的聚晶金剛石複合片。