添加玄武岩纤维的金刚石热阻隔复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及金刚石工具材料技术领域，具体涉及添加玄武岩纤维的金刚石热阻隔复合材料的制备方法。

背景技术

金刚石是目前自然界已知的最坚硬、最耐磨的一种矿物，自70年代初期多晶金刚石的兴起，金刚石复合材料在金刚石切削具、磨具和绳锯等金刚石工具领域都得到了广泛的应用。当向金刚石工具施加轴载和扭矩时，金刚石出刃切入工件，形成实际的接触点，工具回转时，旧的接触点被破坏，形成新的接触点。金刚石切入工件的深度取决于金刚石在包镶基体上出刃大小的高差、被加工工件性质、金刚石工具结构和使用规程参数等。

目前，国内钻探行业中使用最为普遍的是碳化钨基的孕镶金刚石工具，随着碳化钨粉末价格的不断提升，很多研究人员和生产企业都在寻找其替代品。玄武岩纤维主要由二氧化硅和三氧化铝组成的一种绿色环保的无机材料，价格较为低廉，具有较多的优异性能，特别是其力学性能优良，并且隔热绝缘，在建筑、交通和航空航天等领域都得到了较多的推广应用。

金刚石复合材料由基体材料和金刚石颗粒组成，被广泛应用于切削具的制作过程中。孕镶金刚石钻头中用于包镶金刚石的胎体主要是金属及金属碳化物。通过胎体的磨损，金刚石微粒不断出露，对岩石进行磨削和切削，被广泛应用于硬岩钻探中。但是在多年的实际应用中发现此类钻头普遍存在韧性不足，使用寿命短等问题，很难满足目前钻探工作的需要，因此有必要对传统金刚石复合材料进行改性。同时在钻进过程中若钻井液冷却钻头切削具不及时或者在无钻井液冷却的情况下，容易出现钻头过热导致孕镶金刚石胎体材料中的金刚石热损伤，使得钻进效果差，钻头的使用寿命短。因此需要对孕镶金刚石胎体材料进行特殊改性处理，进而提高钻头的钻进效率和使用寿命。

发明内容

针对碳化钨基孕镶金刚石复合材料韧性不足、可调控性差以及在冷却效果差或没有冷却液的条件下，金刚石易热损伤碳化等问题，本发明提供了一种添加玄武岩纤维的金刚石热阻隔复合材料及其制备方法。利用玄武岩纤维的优异韧性来提高金刚石复合材料的抗弯强度，从而提高钻头的钻进效率和使用寿命。同时玄武岩纤维具有较低的导热系数，玄武岩纤维的加入，相当于在胎体里面离散分布了一层隔热层，阻碍了钻头钻进时产生的热量向内部传递，避免胎体内部的金刚石颗粒的热损伤，起到热阻隔的作用。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：添加玄武岩纤维的金刚石热阻隔复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制备玄武岩短纤维

将玄武岩纤维加入球磨罐中，并加入研磨球，球料比为2:1，球磨速度为150转每分钟，球磨时间1.5小时，球磨介质为无水乙醇，将球磨过的玄武岩纤维进行分级筛分，最终得到所需的微米或毫米级别长度的玄武岩短纤维；

步骤二、制备复合材料基体

基体粉末可以为铁基粉末、碳化钨基粉末、钴基粉末中的一种或以上基体粉末按照比例的任意组合，粉末按质量百分比为49％-53％的基体粉末、35％的663青铜粉、3％的钴粉、5％的镍粉和3％的锰粉进行称量，之后与步骤一中获得的玄武岩短纤维混合后进行球磨混料，球料比为2:1，混料速度为150转每分钟，混料6小时后获得复合材料基体；

步骤三、混料

将步骤二中得到的复合材料基体与金刚石颗粒混合，之后一起放入行星球磨机中混料2小时，得到混合粉末；

步骤四、热压烧结

将步骤三中获得的混合粉末填入石墨模具中，使用热压烧结机进行烧结，烧结温度950-980摄氏度，单轴加压15-20兆帕，保温保压时间5-10分钟，随炉自然冷却后得到添加玄武岩短纤维的金刚石热阻隔复合材料；

该制备方法所制备的复合材料，是由占复合材料体积百分比为75-85％的复合材料基体，与占复合材料体积百分比为15-25％的金刚石颗粒组成；

所述的复合材料基体是由基体粉末与玄武岩短纤维组成，基体粉末可以为铁基粉末、碳化钨基粉末、钴基粉末中的一种或以上基体粉末按照比例的任意组合，以碳化钨基粉末为例，复合材料基体是由质量分数为49-53％的碳化钨粉、35％的663青铜粉、3％的钴粉、5％的镍粉和3％的锰粉以及0.5-5％的玄武岩短纤维构成；

所述的碳化钨粉为200目，663青铜粉为200目，钴粉为200目，镍粉为200目，锰粉为250目，玄武岩短纤维为微米级或毫米级或两者按比例组合；

所述金刚石颗粒为35-60目之间，也可以例采用混合目数。

使用热常数分析仪对样品进行热力学数值测量，结果显示不添加玄武岩纤维和金刚石时样品导热系数为27.50瓦/米·度，在玄武岩纤维质量分数分别为1％，3％，5％时，导热系数分别为25.4瓦/米·度，19.73瓦/米·度，19.07瓦/米·度，当采用同样工艺测试玄武岩纤维质量分数为1％的金刚石样品的导热系数为18.43瓦/米·度。测试结果表明，随着玄武岩纤维添加量的提高，不含金刚石样品的导热系数呈下降趋势，玄武岩纤维的加入可以起到有效的热阻隔作用。

本发明的有益效果：本发明制备的添加玄武岩纤维的金刚石热阻隔复合材料，利用导热率低的玄武岩纤维作为金刚石间热阻隔的屏障，将导热率较高的基体和导热率特别好的金刚石颗粒分隔开，防止金刚石工具工作过程中由于接触面产生的热量直接传递给上层金刚石，极大减少金刚石的碳化和热损伤，并可调节基体对金刚石的把持能力。在少冷却液和无冷却条件下，可以极大提高金刚石工具的使用寿命，还可用于制备干钻和星球钻探的钻头。在金刚石工具中使用相对廉价的绿色环保的玄武岩纤维代替部分碳化钨,能够调控复合材料韧性，而且降低了金刚石工具的生产制造成本，减少了在生产、使用及回收全过程中有害物质的产生，绿色环保。

具体实施方式

需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种添加玄武岩纤维的金刚石热阻隔复合材料的具体制备方法为：

实施例一：

将玄武岩纤维放入球磨罐中，放入研磨球并加入适量无水乙醇，球料比为2:1，球磨速度为150转/分钟，放入行星式球磨机球磨1.5小时。球磨后的玄武岩纤维进行分级筛分，先后进行200目和250目的筛分，最终得到粒径为250目的玄武岩短纤维。

称量碳化钨粉末4.94克，钴粉0.29克，镍粉0.48克，锰粉0.29克，663青铜粉3.39克以及250目的玄武岩纤维0.291克，将其全部放入球磨罐，加入研磨球及适当无水乙醇，球料比为2:1。放入行星球磨机球磨6小时，球磨速度为150转/分钟，获得复合材料基体。

称量体积百分比为80％的复合材料基体以及体积百分比为20％的35～45目的人造金刚石，放入球磨罐中，加入研磨球及适当无水乙醇，球料比为2:1。进行行星球磨2小时，球磨速度为150转/分钟，可获得混合粉末。

将混合粉末填入石墨模具中，将石墨模具放入热压烧结机中，初始压力为5兆帕，将混合粉末温度提升到960摄氏度，压力由5兆帕提高到16兆帕，保持烧结温度为960摄氏度，压力16兆帕，保温保压时间为6分钟；撤去压力后自然冷却至室温，得到添加玄武岩短纤维的金刚石复合材料。

实施例二：

将玄武岩纤维放入球磨罐中，放入研磨球并加入适量无水乙醇，球料比为2:1，球磨速度为150转/分钟，放入行星式球磨机球磨1.5小时。球磨后的玄武岩纤维进行分级筛分，先后进行200目和250目的筛分，最终得到粒径为250目的玄武岩短纤维。

称量碳化钨粉末4.94克，钴粉0.29克，镍粉0.48克，锰粉0.29克，663青铜粉3.39克以及250目的玄武岩纤维0.291克，将其全部放入球磨罐，加入研磨球及适当无水乙醇，球料比为2:1。放入行星球磨机球磨6小时，球磨速度为150转/分钟，获得复合材料基体。

称量体积百分比为80％的复合材料基体以及体积百分比为20％的45～50目的人造金刚石，放入球磨罐中，加入研磨球及适当无水乙醇，球料比为2:1。进行行星球磨2小时，球磨速度为150转/分钟，可获得混合粉末。

将混合粉末填入石墨模具中，将石墨模具放入热压烧结机中，初始压力为6兆帕，将混合粉末温度提升到970摄氏度，压力由6兆帕提高到18兆帕，保持烧结温度为970摄氏度，压力18兆帕，保温保压时间为8分钟；撤去压力后自然冷却至室温，得到添加玄武岩短纤维的金刚石复合材料。

实施例三：

将玄武岩纤维放入球磨罐中，放入研磨球并加入适量无水乙醇，球料比为2:1，球磨速度为150转/分钟，放入行星式球磨机球磨1.5小时。球磨后的玄武岩纤维进行分级筛分，先后进行200目和250目的筛分，最终得到粒径为250目的玄武岩短纤维。

称量碳化钨粉末89.18克，钴粉5.05克，镍粉8.41克，锰粉5.05克，663青铜粉58.89克以及玄武岩纤维1.68克，将粉末全部放入球磨罐，加入研磨球及适当无水乙醇，球料比为2:1。放入行星球磨机球磨6小时，球磨速度为150转/分钟，获得胎体材料粉末。

称量体积百分比为80％的复合材料基体以及体积百分比为20％的35～45目的人造金刚石，放入球磨罐中，加入研磨球及适当无水乙醇，球料比为2:1。进行行星球磨2h，球磨速度为150转/分钟，可获得混合粉末。

将混合粉末填入石墨模具中，将石墨模具放入热压烧结机中，初始压力为5兆帕，将混合粉末温度提升到970摄氏度，压力由5兆帕提高到18兆帕，保持烧结温度为970摄氏度，压力18兆帕，保温保压时间为8分钟；撤去压力后自然冷却至室温，得到添加玄武岩短纤维的金刚石复合材料。对所得样品磨抛处理，然后进行导热系数测试，结果为导热系数为18.43瓦/米·度。

最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。