一种高性能聚晶金刚石的制备工艺

技术领域

本发明属于金刚石复合材料制备技术领域，具体涉及一种高性能聚晶金刚石的制备工艺。

背景技术

聚晶金刚石因耐磨性好、耐腐蚀、硬度高、摩擦系数小、粘附性小、加工粗糙度低、各向同性、寿命高等特点，具有广泛的应用，是工业化生产中必不可少的切割工具。但是常见的人造金刚石颗粒一般作为磨料使用，并不能作为切削工具使用，需要通过结合剂将微小的金刚石颗粒聚集成块才能使用。传统的聚晶金刚石在制备过程中，都会添加Fe、Co、Ni、Si、陶瓷等烧结助剂。烧结助剂的添加不仅能降低合成的压力和温度，而且能促进金刚石碳-碳健的结合使金刚石颗粒更紧密的连接在一起。但是结合剂的存在也限制了聚晶金刚石性能的提升。

作为切削工具的原料及主要成分，现有技术中公开了聚晶金刚石的多种制备方法。例如，公开号为CN110625123A的中国专利公开了一种高性能聚晶金刚石复合片及其制备方法，包括硬质合金衬底，以及在硬质合金衬底表面上的碳化硅-金刚石过渡层和聚晶金刚石层。此专利通过离子束注入方法在金刚石表面注入氮离子，提高聚晶金刚石复合片热稳定性，并利用化学气相沉积方法在硬质合金衬底表面上沉积碳化硅-金刚石梯度过渡层，可以抑制钴元素向所述聚晶金刚石层的扩散，延长聚晶金刚石层的使用寿命。

又如，公开号为CN112746814A的中国专利公开了一种耐高温耐磨型聚晶金刚石复合片及其制备方法，该聚晶金刚石复合片是由镀富勒烯金刚石微粉、掺硼金刚石微粉、碳化硼微粉及纳米金刚石微粉构成的混合粉末作为原料，在压力6.2GPa～7 .2GPa，温度1620℃～1780℃的条件下与硬质合金烧结制得的。此专利的聚晶金刚石复合片能够提升聚晶金刚石复合片的致密性、硬度、耐磨性以及热稳定性等性能。

但是，随着工业技术升级步伐的加快，一些新兴行业逐渐兴起，对切削工具的要求越来越高。传统方式制备的聚晶金刚石已经不能满足行业的需求，因此寻找一种高性能的聚晶金刚石的制备工艺。

碳化硼（B

研究表明，聚晶金刚石制备过程中，在金刚石中引入碳化硼与钛粉，可以增加聚晶金刚石的热稳定性和机械性能，包括硬度、耐磨性以及抗冲击韧性，同时三者结合过程中获得新的衍生物可以有效增强聚晶金刚石的强度以及耐磨性。

基于此，本发明在现有技术基础上进行改进，通过对聚晶金刚石制备过程中结合剂成分以及制备方法的工艺参数进行调整，以期在提高聚晶金刚石的热稳定性和韧性的同时，还能提高其使用寿命。

发明内容

针对上述问题，本发明通过配方优化和工艺调整，提供了一种高性能聚晶金刚石的制备工艺。该工艺解决了传统聚晶金刚石高温稳定性差以及抗冲击韧性差等问题，通过优化各原料配比，利用高温高压条件，制得了硬度高、耐磨性好、抗冲击韧性高以及热稳定好的聚晶金刚石。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种高性能聚晶金刚石的制备方法，包括以下步骤：

一、原料的处理

1）原料净化处理：取不同粒度金刚石微粉作为基材，利用微波~熔盐法对金刚石微粉表面进行净化处理，具体步骤为：

首先，分别取粒度为20~25μm和4~10μm的金刚石微粉搅拌混匀，并研磨，然后将熔盐与所述两种粒度的金刚石微粉充分混合（混合时间优选为1~2h），得到混合粉体；

再将混合粉体在微波管式炉中加热，加热过程中通入保护气体，加热后随炉冷却至常温（例如为25±℃）；将样品（混合粉体）置于超声波清洗仪中超声处理1~3h，超声功率为500-600W，超声温度120-150℃，清洗，并除去样品表面的盐类（熔盐）等物质，得到经过净化处理后的两种粒度的金刚石微粉，干燥，备用；

2）混料和球磨：将步骤1）中经过净化处理后的两种粒度的金刚石微粉与碳化硼微粉、钛粉进行混料和球磨，具体步骤为：

将步骤1）得到的物料（主要为经过净化处理后的粒度20~25μm和4~10μm的金刚石微粉）与碳化硼微粉、钛粉混合，得到混合料，并置于球磨罐中进行球磨，球磨后干燥，抽真空，进行真空热处理，得到固体粉末；真空热处理的目的主要是去除在研磨过程中粉末表面吸附的杂质，同时激发粉末表面的活性；

二、压制

3）预压制：将步骤2）真空热处理后的固体粉末，置于金属杯中，用油压机在模具中进行预压，得到样品；

4）组装、烧结：将步骤3）制得的样品与叶腊石进行组装，然后置于六面顶压机进行高温高压烧结，得到聚晶金刚石毛坯；

将制备的聚晶金刚石毛坯进行研磨，抛光，最终得到微观组织结构致密且分布均匀的聚晶金刚石。

进一步的，步骤1）中，粒度为20~25μm和4~10μm的金刚石微粉的重量比为（65~70）：（20~22）。

进一步的，步骤1）中，熔盐为氯化钠和氯化钾，两者的质量比为（0.5~2）:1；氯化钠和氯化钾均为分析纯，纯度≥99%。

进一步的，步骤1）中，氯化钠和氯化钾的总质量与两种粒度金刚石微粉总质量之比为1:1。

进一步的，步骤1）中，加热时，升温速度为80~100℃/min，升至900~1100℃后，保温1~2h。

进一步的，步骤1）中，保护气体为氩气或氮气。

进一步的，步骤2）混料和球磨时，按照重量百分比计，混合料中各原料的占比为：粒度20~25μm的金刚石微粉60~70wt.%、粒度4~10μm的金刚石微粉20~25wt.%、碳化硼微粉5~10wt.%、钛粉2~7wt.%。

进一步的，步骤2）中，球磨时，球磨介质（研磨球）与混合料的球料比（质量比）为1:1，球磨转速为30~550r/min，球磨时间为6~10h。

进一步优选的，球磨过程中可以加入无水乙醇作为润滑剂。

进一步优选的，球磨时，球磨介质（研磨球）选用两种，材质均为YG8，直径分别为8~12mm和4~6mm，两者的重量比为1:1。

进一步的，步骤2）中，真空热处理温度为700~900℃，时间为30-60min，真空度为（1~3）*10

进一步的，步骤3）中，金属杯的材质为钽、钼、铌中的任一种。

进一步的，步骤3）中，预压时，油压机的压力为150~200Mpa，保压时间为3~5s。

进一步的，步骤4）中，烧结压力为4Gpa~8Gpa，温度为1300℃~1700℃，保温时间为0~600s；烧结后，以80~90℃/min的降温速率将温度降至700~750℃，保温5~12s，最后降至常温，同时以0.3~0.5GPa/min的降压速率将压力降至常压。

上述方法通过将特定配比的金刚石微粉、碳化硼微粉、钛粉经过球磨、热处理、压制制备得到高性能聚晶金刚石。

进一步的，本发明还提供了所述高性能聚晶金刚石在制造切削工具、钻探工具中的应用。

本发明所制备得到的高性能聚晶金刚石主要用于生产切削工具、石油钻探工具、拉丝模、矿山开采和耐磨元件等。由于聚晶是多晶结构，磨损无方向性，晶粒间隙可储存润滑油，用于拉丝模，不仅使用寿命比天然单晶拉丝模高，而且拉拔金属丝的表面质量好。

具体的，本发明所述聚晶金刚石用于制造各种刀具，包括车刀、铣刀和镗刀等，用于加工高硬、耐磨的金属及非金属材料，其性能远远高于硬质合金或单晶金刚石刀具。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用不同粒径的金刚石微粉，通过熔盐法对金刚石表面进行刻蚀，一方面增加了金刚石表面的粗糙度，另一方面，小粒径的金刚石可以填充于大颗粒金刚石空隙中，提高了金刚石颗粒之间的接触面积。

本发明引入了碳化硼与钛粉两种结合剂，碳化硼在高温高压下会游离出碳单质和硼单质，当与金刚石颗粒接触后，可以发生化学反应生成硼化物和碳碳之间的化学键，提高了结合剂与金刚石之间的粘结。同时碳化硼的耐高温和耐磨性优于钴与硅，在金刚石颗粒中充当骨架作用，提升了胚体的耐高温和耐磨性。而且强氮化合物（氮化钛）能在金刚石表面生成稳定化合物，可进一步提高聚晶金刚石的致密性、耐磨性。

钛粉可以与金刚石表面碳键以及碳化硼中游离碳键结合生成碳化钛，从而使金刚石与结合剂紧密的结合在一起。钛粉还可与金刚石表面吸附的氧气和氮气结合生成二氧化钛与氮化钛，降低了金刚石的气孔率。

本发明所述制备方法中，将碳化硼与钛粉作为结合剂，采用不同粒度金刚石微粉、掺杂碳化硼微粉和钛粉，利用高温高压条件，制得了性能优良的聚晶金刚石。可以提高烧结体的耐热性、韧性。同时金刚石微粉、碳化硼与钛粉在结合过程中会获得新的衍生物，可以进一步促进聚晶金刚石的热稳定性和耐磨性，弥补了传统聚晶金刚石热稳定性差、韧性不足的问题。

附图说明

图1为实施例1制备得到的聚晶金刚石的电镜图片；

图2为实施例2制备得到的聚晶金刚石的电镜图片；

图3为实施例3制备得到的聚晶金刚石的电镜图片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

以下实施例中碳化硼微粉的粒度为5~12μm（购自河南四成研磨科技有限公司），钛粉的粒度为4~10μm（购自宝鸡市恒创金属制品有限公司），金刚石微粉为单晶，购自柘城惠丰钻石科技股份有限公司。

实施例1

实施例1提供一种高性能聚晶金刚石的制备方法，具体步骤如下：

一、原料的处理

1）原料净化处理：取不同粒度金刚石微粉作为基材，利用微波~熔盐法对金刚石微粉表面进行净化处理，具体步骤为：

首先，分别取粒度为20~25μm和4~10μm的金刚石微粉于研钵中，进行搅拌研磨，两种粒度的金刚石微粉的重量比为3.25:1（65：20），然后再将质量比为1:1的氯化钠和氯化钾与两种粒度的金刚石微粉置于研钵中充分混合1h，得到混合粉体，其中，氯化钠和氯化钾的总质量与两种粒度金刚石微粉总质量之比为1:1；

然后把混合后的粉体放入刚玉坩埚中，在微波管式炉中加热，加热过程中通入氩气进行保护；加热时，升温速度为90℃/min，升至1100℃后，保温1h，然后随炉冷却至常温；

冷却后，将样品取出，置于超声波清洗仪中超声1h，超声功率为600w，温度为150℃，并用去离子水与酒精反复清洗，并除去样品表面的盐类（熔盐）等物质，得到经过净化处理后的两种粒度的金刚石微粉，干燥，备用；

2）混料和球磨：将步骤1）中经过净化处理后的两种粒度的金刚石微粉与碳化硼微粉、钛粉进行混料和球磨，具体步骤为：

将净化处理后粒度为20~25μm的金刚石微粉、粒度为4~10μm的金刚石微粉与碳化硼微粉、钛粉混合，并置于球磨罐中进行球磨；按照重量百分比计，各原料的占比为：粒度20~25μm的金刚石微粉65wt.%、粒度4~10μm的金刚石微粉20wt.%、碳化硼微粉10wt.%、钛粉5wt.%；

球磨时，球磨介质与物料的球料比（质量比）为1:1，球磨过程中加入无水乙醇作为润滑剂，球磨转速为300r/min，球磨时间为10h；其中，球磨时，球磨介质（研磨球）选用两种，材质均为YG8，直径分别为8mm和4mm，两者的重量比为1:1；

球磨停止后，将搅拌好的粉末干燥，置于石墨罐中，抽真空，进行真空热处理，热处理温度为700℃，保温时间为30min，真空度为3*10

二、压制

3）预压制：将步骤2）真空热处理后得到的粉末，放入金属杯中，用油压机在模具中进行预压，得到样品；其中，金属杯为钼杯；预压时，油压机的压力为150Mpa，保压时间为5s；

4）组装、烧结：将步骤3）制得的样品与叶腊石进行组装，然后放在六面顶压机上进行高温高压烧结；烧结压力为5.5Gpa，温度为1400℃，保温时间为480s，待保温结束后，以80℃/min的降温速率将温度降至700℃，保温10s，然后降至常温，同时以0.3GPa/min的降压速率将压力降至常压，得到聚晶金刚石毛坯；

将上述方法制备的聚晶金刚石毛坯进行研磨，抛光，最终得到微观组织结构致密且分布均匀的聚晶金刚石，其电镜图片如图1所示。

将制备得到的聚晶金刚石样品进行机械性能测试（测试方法参见专利文献《202211116430.0聚晶金刚石及其制备方法、聚晶金刚石复合材料及其制备方法》），其维氏硬度为7952HV，磨耗比为30.2万，抗冲击韧性80J，初始氧化温度1120℃（即耐热温度）。

实施例2

实施例2提供一种高性能聚晶金刚石的制备方法，具体步骤如下：

一、原料的处理

1）原料净化处理：取不同粒度金刚石微粉作为基材，利用微波~熔盐法对金刚石微粉表面进行净化处理，具体步骤为：

首先，分别取粒度为20~25μm和4~10μm的金刚石微粉于研钵中，进行搅拌研磨，两种粒度的金刚石微粉的重量比为10:3（70：21），然后再将质量比为2:1的氯化钠和氯化钾与两种粒度的金刚石微粉置于研钵中充分混合1.5h，得到混合粉体，其中，氯化钠和氯化钾的总质量与两种粒度金刚石微粉总质量之比为1:1；

然后把混合后的粉体放入刚玉坩埚中，在微波管式炉中加热，加热过程中通入氩气进行保护；加热时，升温速度为100℃/min，升至1000℃后，保温1h，然后随炉冷却至常温；

冷却后，将样品取出，置于超声波清洗仪中超声1h，超声功率为500w，温度为120℃，并用去离子水与酒精反复清洗，并除去样品表面的盐类（熔盐）等物质，得到经过净化处理后的两种粒度的金刚石微粉，干燥，备用；

2）混料和球磨：将步骤1）中经过净化处理后的两种粒度的金刚石微粉与碳化硼微粉、钛粉进行混料和球磨，具体步骤为：

将净化处理后粒度为20~25μm的金刚石微粉、粒度为4~10μm的金刚石微粉与碳化硼微粉、钛粉混合，并置于球磨罐中进行球磨；按照重量百分比计，各原料的占比为：粒度20~25μm的金刚石微粉70wt.%、粒度4~10μm的金刚石微粉21wt.%、碳化硼微粉5wt.%、钛粉4wt.%；

球磨时，球磨介质与物料的球料比（质量比）为1:1，球磨过程中加入无水乙醇作为润滑剂，球磨转速为500r/min，球磨时间为8h；其中，球磨时，球磨介质（研磨球）选用两种，材质均为YG8，直径分别为10mm和6mm，两者的重量比为1:1；

球磨停止后，将搅拌好的粉末干燥，置于石墨罐中，抽真空，进行真空热处理，热处理温度为800℃，保温时间为30min，真空度为3*10

二、压制

3）预压制：将步骤2）真空热处理后得到的粉末，放入金属杯中，用油压机在模具中进行预压，得到样品；其中，金属杯为铌杯；预压时，油压机的压力为180Mpa，保压时间为3s；

4）组装、烧结：将步骤3）制得的样品与叶腊石进行组装，然后放在六面顶压机上进行高温高压烧结；烧结压力为6.5Gpa，温度为1550℃，保温时间为500s，待保温结束后，以90℃/min的降温速率将温度降至725℃，保温10s，然后降至常温，同时以0.4GPa/min的降压速率将压力降至常压，得到聚晶金刚石毛坯；

将上述方法制备的聚晶金刚石毛坯进行研磨，抛光，最终得到微观组织结构致密且分布均匀的聚晶金刚石，其电镜图片如图2所示。

将制备得到的聚晶金刚石样品进行机械性能测试（测试方法参见专利文献《202211116430.0聚晶金刚石及其制备方法、聚晶金刚石复合材料及其制备方法》），其维氏硬度为8590HV，磨耗比为34.3万，抗冲击韧性85J，初始氧化温度1105℃（即耐热温度）。

实施例3

实施例3提供一种高性能聚晶金刚石的制备方法，具体步骤如下：

一、原料的处理

1）原料净化处理：取不同粒度金刚石微粉作为基材，利用微波~熔盐法对金刚石微粉表面进行净化处理，具体步骤为：

首先，分别取粒度为20~25μm和4~10μm的金刚石微粉于研钵中，进行搅拌研磨，两种粒度的金刚石微粉的重量比为34:11（68：22），然后再将质量比为1:2的氯化钠和氯化钾与两种粒度的金刚石微粉置于研钵中充分混合2h，得到混合粉体，其中，氯化钠和氯化钾的总质量与两种粒度金刚石微粉总质量之比为1:1；

然后把混合后的粉体放入刚玉坩埚中，在微波管式炉中加热，加热过程中通入氩气进行保护；加热时，升温速度为80℃/min，升至900℃后，保温1h，然后随炉冷却至常温；

冷却后，将样品取出，置于超声波清洗仪中超声1h，超声功率为550w，温度为140℃，并用去离子水与酒精反复清洗，并除去样品表面的盐类（熔盐）等物质，得到经过净化处理后的两种粒度的金刚石微粉，干燥，备用；

2）混料和球磨：将步骤1）中经过净化处理后的两种粒度的金刚石微粉与碳化硼微粉、钛粉进行混料和球磨，具体步骤为：

将净化处理后粒度为20~25μm的金刚石微粉、粒度为4~10μm的金刚石微粉与碳化硼微粉、钛粉混合，并置于球磨罐中进行球磨；按照重量百分比计，各原料的占比为：粒度20~25μm的金刚石微粉68wt.%、粒度4~10μm的金刚石微粉22wt.%、碳化硼微粉7wt.%、钛粉3wt.%；

球磨时，球磨介质与物料的球料比（质量比）为1:1，球磨过程中加入无水乙醇作为润滑剂，球磨转速为550r/min，球磨时间为6h；其中，球磨时，球磨介质（研磨球）选用两种，材质均为YG8，直径分别为12mm和6mm，两者的重量比为1:1；

球磨停止后，将搅拌好的粉末干燥，置于石墨罐中，抽真空，进行真空热处理，热处理温度为900℃，保温时间为30min，真空度为3*10

二、压制

3）预压制：将步骤2）真空热处理后得到的粉末，放入金属杯中，用油压机在模具中进行预压，得到样品；其中，金属杯为钽杯；预压时，油压机的压力为200Mpa，保压时间为3s；

4）组装、烧结：将步骤3）制得的样品与叶腊石进行组装，然后放在六面顶压机上进行高温高压烧结；烧结压力为7.0Gpa，温度为1700℃，保温时间为500s，待保温结束后，以70℃/min的降温速率将温度降至750℃，保温10s，然后降至常温，同时以0.5GPa/min的降压速率将压力降至常压，得到聚晶金刚石毛坯；

将上述方法制备的聚晶金刚石毛坯进行研磨，抛光，最终得到微观组织结构致密且分布均匀的聚晶金刚石，其电镜图片如图3所示。

将制备得到的聚晶金刚石样品进行机械性能测试（测试方法参见专利文献《202211116430.0聚晶金刚石及其制备方法、聚晶金刚石复合材料及其制备方法》），其维氏硬度为8027HV，磨耗比为32.6万，抗冲击韧性83J，初始氧化温度1142℃（即耐热温度）。

以上对本发明的具体实施案例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式。本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。