一种石墨烯增强胎体金刚石节块的制备方法

技术领域

本发明属于金刚石节块制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯增强胎体金刚石节块的制备方法。

背景技术

金刚石作为目前所知的最硬的研磨材料，凭借其优异的物理和化学性能，广泛应用于石油钻井、地质勘探、石材加工、建筑装潢等领域。与传统的电镀金刚石工具相比，钎焊与热压烧结可以增强金刚石与基体之间的界面强度，具有良好的冶金和化学结合，得到的金刚石工具在切削速度快、使用寿命长等方面表现出明显的优势。尽管界面层被普遍认为有利于提高胎体材料和金刚石的结合强度，但界面层反应产物为脆性碳化物相，过度的界面反应会产生界面缺陷，从而不可避免地降低界面结合强度。

自问世以来，石墨烯凭借其优良的电学、热学和力学性能，得到了人们的广泛关注。石墨烯增强金属基复合材料近年来成为了研究热点，但石墨烯作为增强相在金刚石胎体材料上的应用较少。另外，传统制备石墨烯增强金属基复合材料多采用直接将石墨烯（纳米片）或利用氧化还原法制备得到石墨烯（纳米片）直接与金属粉末进行混合，烧结制备得到石墨烯增强金属基复合材料。此类方法存在着原料成本高昂、制备过程存在较大的化学污染等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯增强胎体金刚石节块的制备方法，选择含钛或钒或铬的胎体材料粉末作为基体材料，高纯碳纸作为石墨烯的碳源，通过特定的混粉过程与烧结过程，利用石墨烯与胎体材料中的钛元素的原位反应，减少金刚石的热损伤，得到力学性能更好的金刚石工具。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种石墨烯增强胎体金刚石节块的制备方法，包括以下步骤：

S1.石墨烯增强胎体材料复合粉体制备：高纯石墨纸剪碎成石墨纸碎片，碎片尺寸小于2mm，将石墨纸碎片与胎体金属粉末按照0.01~0.5wt.%石墨烯添加量的比例（即石墨纸碎片的质量为总质量的0.01~0.5%）混合后加入硬质磨球，球料比为1:2~1:6，行星球磨的频率为100-300r/min，或三维振动球磨的频率为25-50Hz，球磨时间1-5h，球磨结束后取出磨球，得到石墨烯增强胎体材料复合粉体；

S2.石墨烯增强胎体材料复合粉体与金刚石混合：将金刚石与石墨烯增强胎体材料复合粉体进行混合，为避免球磨过程中金刚石受到较强的机械作用，应选用较低的球磨频率，行星球磨频率为30-90r/min，或三维振动球磨的频率为10-24Hz，球磨时间为1-5h得混合粉体；

S3.金刚石节块制备：将步骤S2制备得到的混合粉体进行真空热压烧结或真空钎焊，为减少石墨烯与胎体材料的反应程度，避免烧结温度过高与烧结时间过长，烧结或钎焊温度在600-1200℃，真空度小于1×10

进一步的，所述步骤S1中胎体金属粉末为含元素钛或钒或铬的金属粉末，粉末形貌为非球形或球形，粉末粒径尺寸小于200μm；高纯石墨纸的纯度大于99.9%，石墨烯增强胎体材料复合粉体制备阶段，石墨纸碎片的尺寸优选1mm，球料比优选1:4，高能球磨过程中行星球磨频率优选150-250r/min，三维振动球磨频率优选28-35Hz，球磨时间优选2-3h。

进一步的，所述步骤S2中行星球磨频率优选30-60r/min，三维振动球磨频率优选15-20Hz，球磨时间优选2-3h。

进一步的，所述步骤S3中烧结或钎焊温度优选700-1100℃，真空度优选小于3×10

机理：本发明石墨烯增强胎体金刚石节块，主要是选择含钛或钒或铬的胎体材料粉末作为基体材料，高纯碳纸作为石墨烯的碳源，通过特定的混粉过程与烧结过程，利用石墨烯与胎体材料中的钛元素的原位反应，减少金刚石的热损伤，得到力学性能更好的金刚石工具。胎体材料为含元素钛或钒或铬的金属粉末，其主要作用是利用元素钛、钒和铬可以与石墨烯以及金刚石在烧结或钎焊过程中发生原位反应，生成的对应碳化物可以有效提高界面结合强度。

本发明具有的优点是：

1.本发明利用钛、钒、铬可以与碳元素发生原位反应的特点，选择石墨烯作为胎体材料的增强相，石墨烯具有优异的力学性能，并且可以在烧结过程中生成碳化物，从而有效提高胎体材料的硬度与抗弯性能，此外，石墨烯可以与胎体材料中的活性元素反应，有效减少金刚石烧结过程中与活性元素反应造成的热损伤，从而降低金刚石节块使用过程中的金刚石脱落率；

2.本发明选用高纯石墨纸作为石墨烯的来源，通过高能机械球磨实现石墨烯剥离制备与混粉的同步进行，降低制备成本与复杂性的同时，有效降低石墨烯的团聚，高纯石墨纸凭借其优异的导热性与导电性被广泛用于半导体设备中的保温筒、密封环密封、机械密封、石墨条、填料、复合板、汽缸垫片和石墨密封等，具有纯度高、单价低、易获取等特点，但未曾有其用于石墨烯制备的相关报道；

3.本发明石墨烯的来源是高纯石墨纸，具有容易获得、成本低廉的特点，且储存条件宽松，无原料泄露污染的风险。无需通过复杂的化学反应制备得到石墨烯，更无需复杂的过程控制，具有低成本、环保、简便的特点；

4.本发明石墨烯增强粉末制备过程无需对金属粉末进行前处理，也无需通过过程控制剂，无需选用成本高昂的石墨烯成品。

附图说明

图1为0.2wt.%石墨烯增强Cu-Ti复合粉末的SEM图及Cu、Ti和C元素EDS面扫结果。

图2为0.2wt.%石墨烯增强Cu-Ti合金复合粉体与烧结后的石墨烯增强Cu-Ti合金胎体金刚石节块的胎体Raman谱图。

具体实施方式

实施例1

一种石墨烯增强胎体金刚石节块的制备方法，包括以下步骤：

（1）胎体材料选择Cu-Ti合金，其中，Cu粉为非球形粉，粒径约为80μm；Ti粉为非球形粉，粒径约为50μm，Cu粉与Ti粉质量比为95:5。

（2）根据Cu-Ti粉的质量确定石墨烯的质量分数为0.2%，称取对应质量的高纯石墨纸，剪碎至1mm大小。

（3）将Cu-Ti粉与石墨纸碎片混合后进行高能球磨，磨球选择氧化锆球，球料比为1:5，三维振动球磨的频率为30Hz，球磨时间为4h，球磨完成后，取出磨球，得到如图1所示的0.2wt.%石墨烯增强Cu-Ti复合粉末。

（4）称取一定量的磨料级金刚石（300μm），与粉末质量比为5:95，之后将金刚石与复合粉末混合进行低能球磨，不添加磨球，三维振动球磨的频率为20Hz，球磨时间为2h。

（5）烧结方式选择真空热压烧结，烧结温度为850℃，真空度为3×10

对实施例1得到的金刚石节块进行金刚石磨粒脱落试验，实验条件为：对氧化锆陶瓷块的平面进行磨削，在陶瓷累计损失120mm

表1

实施例2：

一种石墨烯增强胎体金刚石节块的制备方法，包括以下步骤：

（1）胎体材料选择Ni-15Cr合金球形粉末，粒径小于40μm。

（2）根据Ni-15Cr球形粉末的质量，确定石墨烯的质量分数为0.1%，称取对应质量的高纯石墨纸，剪碎至1mm大小。

（3）将Ni-15Cr粉与石墨纸碎片混合后进行高能球磨，磨球选择氧化锆球，球料比为1:5，三维振动球磨的频率为30Hz，球磨时间为3h，球磨完成后，取出磨球，得到0.1wt.%石墨烯增强Ni-15Cr复合粉末。

（4）称取一定量的磨料级金刚石（300μm），与粉末质量比为10:90，之后将金刚石与复合粉末混合进行低能球磨，不添加磨球，三维振动球磨的频率为18Hz，球磨时间为1.5h。

（5）烧结方式选择真空钎焊，基体为Q235钢，将低能球磨后的金刚石与复合粉末铺在基体上，钎焊温度为1000℃，钎焊时间为80min，真空度为3×10

对实施例2得到的金刚石节块进行摩擦磨损试验，加载力为100N，速度为200r/min，采用销盘式摩擦副，磨削试样为全玻化陶瓷片，磨削3min后测量金刚石节块的磨损量，测试结果见表2。

表2