碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法
2023-04-23 11:24:36 2
專利名稱：碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種經高溫高壓燒結而成的有色金屬切削用的碳納米管增強的金剛石複合片材料。其為高抗衝擊韌性、高耐磨性、高熱穩定性的複合材料。
背景技術：
金剛石複合片(Polycrystalline Diamond Compacts，簡稱為PDC)是由硬質合金和人造聚晶金剛石經過高溫高壓合成的，既具有硬質合金的韌性和可焊性，又具有金剛石的高耐磨性，作為高效切削刀具廣泛地應用於機械加工等領域。隨著鋁合金、鈦合金等有色金屬在汽車發動機和變速箱上的廣泛使用，PDC刀具在汽車發動機和變速箱等高新裝備加工中的應用也越來越多。作為一種新型超硬刀具材料，PDC具有高硬度、高耐磨性、低摩擦係數、高導熱率等性能優勢，已成為切削鋁合金、鈦合金等有色金屬的最佳刀具材料。當前的PDC研製注重單一性能的提高。實際的應用效果表明，當前PDC材料的磨耗比已經能夠接近金剛石的磨耗比，金剛石層的衝擊破壞成為PDC失效的主要原因。高耐磨性要求PDC 有很高的強度，而強抗衝擊韌性則要求PDC具有一定程度的變形能力，二者相互矛盾。因此開發一種既高耐磨又強抗衝擊的高精度高穩定性PDC材料成為當前PDC研製的一個熱點和迫切的需要。高溫高壓燒結而成的PDC材料經歷了金剛石破碎和再結晶長大、鈷等在金剛石層中的擴散熔滲遷移等過程。處於金剛石間隙處的粘接劑的脆性和熱脹冷縮及其氧化是複合片衝擊破壞的源頭和熱穩定性下降的主要因素。碳納米管在高溫高壓下很難轉變成金剛石，其管狀結構在壓力5 6GPa、溫度1450°C仍然能夠保留下來。經高溫高壓燒結而成的碳納米管增強PDC材料，既有纖維理論常規的裂紋橋聯、裂紋偏轉、拔出效應等機理，也有其特殊性。(1)碳納米管存在於長大了的金剛石間隙處，在空間內成立體網狀分布，與粘接劑結合，形成高強骨架。(2)碳納米管存在於聚晶金剛石內各界面處，當刀具升溫時，由於碳納米管和金剛石的熱膨脹係數相近，從而減少了 PDC內部熱龜裂紋的形成，使其熱穩定性增強。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種使金剛石複合片材料具有高抗衝擊韌性、 高耐磨性、高熱穩定性的碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法。為了解決上述技術問題，本發明提供的碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，步驟如下(1)碳納米管的純化與分散處理多壁或者單壁的碳納米管採用丙酮浸泡清洗，純化工藝如常規方法，然後將碳納米管放置於混合溶液中進行超聲波振蕩分散，最後放入烘箱內烘乾；(2)合成原料準備合成原料配方質量分數0. 5 5 %分散後的碳納米管，粘接劑為18 22 %，餘量為粒徑範圍5 μ m 20 μ m的金剛石微粉，硬質合金基體；在使用之前金剛石微粉進行表面淨化處理和預石墨化，硬質合金基體和粘接劑進行表面淨化處理；使用的其他輔助材料進行相應的清洗處理；組裝前的葉臘石塊、葉臘石環必須除去水分；將金剛石微粉、粘接劑和碳納米管混合料，先用無水乙醇溼混，烘乾後幹混製成混合原料；(3)合成塊的真空熱處理與保存採用壓塊組建真空熱處理工藝方法，先將混合原料和硬質合金基體、鉬杯、鉬片、 碳管制成合成塊，然後將合成塊一起進行抽真空熱處理，溫度為620 680°C，時間為0. 5 1. 5h ；真空處理完畢後，將合成塊放置在溫度為80 100°C的烘箱中保存備用；(4)超高壓合成將合成塊放置於葉臘石塊模具中，在模具外加裝上葉臘石環、導電鋼圈和觸媒片， 在六面頂壓機中進行超高壓高溫合成實驗；合成工藝參數為燒結溫度1450 1600°C，燒結壓力5 6GPa，保溫保壓時間為3 5分鐘；(5)殘餘應力消除將合成後產品進行真空時效退火。所述的混合溶液為200ml無水乙醇+0. 1 1. Og十二烷基硫酸鈉混合溶液中。所述的六面頂壓機為鉸鏈式六面頂壓機，合成中採用液相傳壓方式。所述的硬質合金基體和粘接劑的表面淨化處理是指首先將結合表面進行打磨拋光處理，抹去結合表面的氧化層和坑穴，直至露出新鮮表面，然後進行去油、水洗、超聲波清洗、紅外烘乾，最後裝入乾淨器皿中備用。所述的粘接劑為鈷片和鈦片。上述步驟C3)合成塊的真空熱處理與保存真空處理完畢後，將合成塊放置在烘箱中保存備用，烘箱溫度為80 100°C。採用上述技術方案的碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，經過半溼混使碳納米管與金剛石微粉以及粘接劑等彌散地均勻地混合在一起成為聚晶金剛石層的原材料，將它與硬質合金基體，通過高溫高壓燒結工藝和適當的熱處理工藝製造成為碳納米管增強的PDC，該材料是具有高抗衝擊韌性、高耐磨性、高熱穩定性的複合材料。經過對於PDC 衝擊破壞和熱損傷的研究與分析，利用纖維增強理論，通過加入適量分散的碳納米管和材料熱處理技術，在不降低PDC耐磨性的基礎上，大幅提高PDC材料的抗衝擊韌性和穩定性。 抗衝擊韌性提高幅度100% 1000%。該碳納米管增強金剛石複合片材料應用於製備高速高精度切削各種有色金屬的切削刀具或者切削刃中。鉬杯、鉬片和碳管的作用是定型。本發明的優點和有益效果是在常規的經高溫高壓燒結而成的PDC材料中，粘接劑所形成的網狀結構，使材料中出現了 D-M-D結合形式，而D-M-D的結合強度遠低於具有 D-D的結合強度；另一方面，PDC刀具中粘接劑存在三種分布形式，分別是金剛石間的球狀顆粒、「Co島」和葉脈狀的粘接劑分布，其中以葉脈狀分布的粘接劑對PDC刀具的熱穩定性影響最大；粘接劑熱脹冷縮和氧化所產生的熱龜裂裂紋，所導致的PDC刀具機械性能的降低，是PDC刀具熱穩定性下降的主要因素。由於以上原因，常規複合片的抗衝擊韌性難以根本提高，切削過程中穩定性低，易出現微崩刃等缺陷。本發明材料利用了碳納米管增強增韌作用和殘餘應力控制技術等，一方面使存在於長大了的金剛石間隙處的碳納米管在空間形成高強管狀骨架的立體網狀分布提高了聚晶金剛石層的強度和韌性，控制了金剛石間隙中粘接劑的分布形式使其不出現葉脈狀分布；另一方面部分地消除了高溫高壓燒結所導致的 PDC內部殘餘應力，從而有效地提高了刀具材料的抗衝擊韌性、增強了切削過程的穩定性， 延長了刀具材料壽命，減少了生產成本。綜上所述，本發明是一種使金剛石複合片材料具有高抗衝擊韌性、高耐磨性、高熱穩定性的碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法。
圖1是實施例1碳納米管增強金剛石複合片材料衝擊斷口微觀形貌圖。圖2是實施例2碳納米管增強金剛石複合片材 料衝擊斷口微觀形貌圖。圖3是實施例3碳納米管增強金剛石複合片材料衝擊斷口微觀形貌圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。實施例1 碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，步驟如下(1)碳納米管的純化與分散處理多壁或者單壁的碳納米管採用丙酮浸泡清洗，純化工藝如常規方法，然後將碳納米管放置於200ml無水乙醇+0. 5g十二烷基硫酸鈉混合溶液中，進行超聲波振蕩分散，最後放入烘箱內烘乾；(2)合成原料準備合成原料配方質量分數0. 5%分散後的碳納米管，粒徑範圍5 10 μ m的金剛石微粉，粘接劑為22%，硬質合金基體；在使用之前金剛石微粉必須進行表面淨化處理和預石墨化，硬質合金基體、鈷片、鈦片原輔材料，首先將結合表面進行打磨拋光處理，抹去結合表面的氧化層和坑穴，直至露出新鮮表面，然後進行去油、水洗、超聲波清洗、紅外烘乾，最後裝入乾淨器皿中備用；使用的其他輔助材料也應進行相應的清洗處理；組裝前的葉臘石塊、葉臘石環必須先進行焙燒處理，以除去葉臘石中的水分；將金剛石微粉、粘接劑和碳納米管混合料，先用無水乙醇溼混，烘乾後幹混，保存混合原料；(3)合成塊的真空熱處理與保存採用壓塊組建真空熱處理工藝方法，先將混合原料和硬質合金基底、鈷片、鈦片、 鉬杯、鉬片、碳管制成合成塊，然後將合成塊一起進行抽真空熱處理；真空熱處理條件為絕對真空度為IOKPa的真空，620，時間1. 5h，真空處理完畢後，將合成塊放置在烘箱中保存備用，烘箱溫度為80°C ；(4)超高壓合成將合成塊放置於由葉臘石塊模具中，在模具外加裝上葉臘石環、導電鋼圈和觸媒片，在鉸鏈式六面頂壓機中進行超高壓高溫合成實驗；合成中採用液相傳壓方式，合成工藝參數為燒結溫度1450，燒結壓力5GPa，保溫保壓時間為3分鐘；(5)殘餘應力消除將合成後產品進行真空時效退火。樣品效果利用PDC磨削碳化矽砂輪方法測定PDC的磨耗比約為2. 70461 X IO5 ；利用重錘衝擊法測試PDC的抗衝擊韌性，單次衝擊功1. 4J，無碳納米管樣品平均衝擊次數為4 次，有碳納米管的樣品平均衝擊次數為13次。圖1是碳納米管增強金剛石複合片材料衝擊斷口微觀形貌圖。實施例2:碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，步驟如下(1)碳納米管的純化與分散處理多壁或者單壁的碳納米管採用丙酮浸泡清洗，純化工藝如常規方法，然後將碳納米管放置於200ml無水乙醇+0. Ig十二烷基硫酸鈉混合溶液中，進行超聲波振蕩分散，最後放入烘箱內烘乾；(2)合成原料準備合成原料配方質量分數分散後的碳納米管，粒徑範圍15 20μπι的金剛石微粉，粘接劑為20%，硬質合金基體；在使用之前金剛石微粉必須進行表面淨化處理和預石墨化，硬質合金基體、鈷片、鈦片原輔材料，首先將結合表面進行打磨拋光處理，抹去結合表面的氧化層和坑穴，直至露出新鮮表面，然後進行去油、水洗、超聲波清洗、紅外烘乾，最後裝入乾淨器皿中備用；使用的其他輔助材料也應進行相應的清洗處理；組裝前的葉臘石塊、葉臘石環必須先進行焙燒處理，以除去葉臘石中的水分；將金剛石微粉、粘接劑和碳納米管混合料，先用無水乙醇溼混，烘乾後幹混，保存混合原料；(3)合成塊的真空熱處理與保存採用壓塊組建真空熱處理工藝方法，先將混合原料和硬質合金基底、鈷片、鈦片、 鉬杯、鉬片、碳管制成合成塊，然後將合成塊一起進行抽真空熱處理；真空熱處理條件為絕對真空度為20KPa的真空，650°C，時間lh，真空處理完畢後，將合成塊放置在烘箱中保存備用，烘箱溫度為90°C ；(4)超高壓合成將合成塊放置於由葉臘石塊模具中，在模具外加裝上葉臘石環、導電鋼圈和觸媒片，在鉸鏈式六面頂壓機中進行超高壓高溫合成實驗；合成中採用液相傳壓方式，合成工藝參數為燒結溫度1500°C，燒結壓力5. 5GPa，保溫保壓時間為5分鐘；(5)殘餘應力消除將合成後產品進行真空時效退火。樣品效果利用PDC磨削碳化矽砂輪方法測定PDC的磨耗比約為2. 70461 X IO5 ；利用重錘衝擊法測試PDC的抗衝擊韌性，單次衝擊功1. 4J，無碳納米管樣品平均衝擊次數為4 次，有碳納米管的樣品平均衝擊次數為14次。圖2是碳納米管增強金剛石複合片材料衝擊斷口微觀形貌圖。實施例3 碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，步驟如下(1)碳納米管的純化與分散處理多壁或者單壁的碳納米管採用丙酮浸泡清洗，純化工藝如常規方法，然後將碳納米管放置於200ml無水乙醇+1. Og十二烷基硫酸鈉混合溶液中，進行超聲波振蕩分散，最後放入烘箱內烘乾；(2)合成原料準備
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合成原料配方質量分數5%分散後的碳納米管，粒徑範圍10 20 μ m的金剛石微粉，粘接劑為18%，硬質合金基體；在使用之前金剛石微粉必須進行表面淨化處理和預石墨化，硬質合金基體、鈷片、鈦片原輔材料，首先將結合表面進行打磨拋光處理，抹去結合表面的氧化層和坑穴，直至露出新鮮表面，然後進行去油、水洗、超聲波清洗、紅外烘乾，最後裝入乾淨器皿中備用；使用的其他輔助材料也應進行相應的清洗處理；組裝前的葉臘石塊、葉臘石環必須先進行焙燒處理，以除去葉臘石中的水分；將金剛石微粉、粘接劑和碳納米管混合料，先用無水乙醇溼混，烘乾後幹混，保存混合原料；(3)合成塊的真空熱處理與保存採用壓塊組建真空熱處理工藝方法，先將混合原料和硬質合金基底、鈷片、鈦片、 鉬杯、鉬片、碳管制成合成塊，然後將合成塊一起進行抽真空熱處理；真空熱處理條件為絕對真空度約為30KPa的真空，680°C，0.證，真空處理完畢後，將合成塊放置在烘箱中保存備用，烘箱溫度為100°C ；(4)超高壓合成將合成塊放置於由葉臘石塊模具中，在模具外加裝上葉臘石環、導電鋼圈和觸媒片，在鉸鏈式六面頂壓機中進行超高壓高溫合成實驗；合成中採用液相傳壓方式，合成工藝參數為燒結溫度1550°C，燒結壓力6GPa，保溫保壓時間為4分鐘；(5)殘餘應力消除將合成後產品進行真空時效退火。樣品效果利用PDC磨削碳化矽砂輪方法測定PDC的磨耗比約為2. 70461 X IO5 ；利用重錘衝擊法測試PDC的抗衝擊韌性，單次衝擊功1. 4J，無碳納米管樣品平均衝擊次數為4 次，有碳納米管的樣品平均衝擊次數為34次。圖3是碳納米管增強金剛石複合片材料衝擊斷口微觀形貌圖。該碳納米管增強PDC材料應用於製備高速高精度切削各種有色金屬的切削刀具或者切削刃中。
權利要求
1.一種碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，其特徵是步驟如下(1)碳納米管的純化與分散處理多壁或者單壁的碳納米管採用丙酮浸泡清洗，純化工藝如常規方法，然後將碳納米管放置於混合溶液中進行超聲波振蕩分散，最後放入烘箱內烘乾；(2)合成原料準備合成原料配方質量分數0. 5 5%分散後的碳納米管，粘接劑為18 22%，餘量為粒徑範圍5 μ m 20 μ m的金剛石微粉，硬質合金基體；在使用之前金剛石微粉進行表面淨化處理和預石墨化，硬質合金基體和粘接劑進行表面淨化處理；使用的其他輔助材料進行相應的清洗處理；組裝前的葉臘石塊、葉臘石環必須除去水分；將金剛石微粉、粘接劑和碳納米管混合料，先用無水乙醇溼混，烘乾後幹混製成混合原料；(3)合成塊的真空熱處理與保存採用壓塊組建真空熱處理工藝方法，先將混合原料和硬質合金基體、鉬杯、鉬片、碳管制成合成塊，然後將合成塊一起進行抽真空熱處理，溫度為620 680°C，時間為0. 5 1. 5h ；真空處理完畢後，將合成塊放置在溫度為80 100°C的烘箱中保存備用；(4)超高壓合成將合成塊放置於葉臘石塊模具中，在模具外加裝上葉臘石環、導電鋼圈和觸媒片，在六面頂壓機中進行超高壓高溫合成實驗；合成工藝參數為燒結溫度1450 1600°C，燒結壓力5 6GPa，保溫保壓時間為3 5分鐘；(5)殘餘應力消除將合成後產品進行真空時效退火。
2.根據權利要求1所述的碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，其特徵是所述的混合溶液為200ml無水乙醇+0. 1 1. Og十二烷基硫酸鈉混合溶液中。
3.根據權利要求1所述的碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，其特徵是所述的六面頂壓機為鉸鏈式六面頂壓機，合成中採用液相傳壓方式。
4.根據權利要求1或2所述的碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，其特徵是 所述的硬質合金基體和粘接劑的表面淨化處理是指首先將結合表面進行打磨拋光處理， 抹去結合表面的氧化層和坑穴，直至露出新鮮表面，然後進行去油、水洗、超聲波清洗、紅外烘乾，最後裝入乾淨器皿中備用。
5.根據權利要求1所述的碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，其特徵是所述的粘接劑為鈷片和鈦片。
6.根據權利要求1所述的碳納米管增強金剛石複合片材料的製備方法，其特徵是上述步驟(3)中合成塊的真空熱處理與保存真空熱處理條件為絕對真空度為10 30KPa的真空。
全文摘要
本發明公開了一種碳納米管增強金剛石複合片(Polycrystalline Diamond Compacts，簡稱為PDC)材料的製備方法，經過半溼混使碳納米管與金剛石微粉以及粘接劑等彌散地均勻地混合在一起成為聚晶金剛石層的原材料，將它與硬質合金基體，通過高溫高壓燒結工藝和適當的熱處理工藝製造成為碳納米管增強的PDC，該材料是具有高抗衝擊韌性、高耐磨性、高熱穩定性的複合材料。經過對於PDC衝擊破壞和熱損傷的研究與分析，利用纖維增強理論，通過加入適量分散的碳納米管和材料熱處理技術，在不降低PDC耐磨性的基礎上，大幅提高PDC材料的抗衝擊韌性和穩定性。抗衝擊韌性提高幅度100～1000％。該碳納米管增強金剛石複合片材料應用於製備高速高精度切削各種有色金屬的切削刀具或者切削刃中。
文檔編號C22C47/14GK102268619SQ20111014881
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者汪冰峰, 黃洪躍 申請人:中南大學