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与流程

1.本发明涉及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，属于超硬复合材料技术领域。


背景技术：

2.随着现代制造业的发展，各种具有高强度高精度的大尺寸金属管、线、棒材被越来越广泛的应用于通讯、交通、能源、航空航天等领域。而高精度线材的制作几乎均是通过拉丝工艺制成的。拉丝工艺是将金属从模具中强行通过进而使其尺寸、形状符合设计要求的加工方法。拉丝工艺中采用的模具主要是硬质合金拉丝模与聚晶金刚石拉丝模。近年来，聚晶金刚石拉丝模正以其高强度、高耐磨性以及优良的性价比等特点越来越受到拉丝行业的青睐。同时，如何提高聚晶拉丝模具的使用寿命、降低生产成本，成为金属线材行业普遍关注的热点。而拉丝模坯质量的好坏直接影响拉丝质量及拉丝模具的使用寿命等。目前国内几乎均使用六面顶压机在高温高压下烧结合成聚晶金刚石拉丝模坯，在烧结过程中通过对聚晶金刚石拉丝模坯料外的石墨管进行加热，从而达到烧结的目的。但是由于聚晶金刚石拉丝模坯料的直径和高度之间的尺寸差异较大，在烧结过程中坯料的径向、纵向的温度场易造成不均匀，并且在实际生产中，如果金刚石微粉与粘结剂混料不均匀，会导致合成的聚晶金刚石出现裂纹、烧结效果差、d-d键结合差、粘结剂团聚等现象，而这些现象会使制备的聚晶金刚石拉丝模在拉丝过程中产生一系列问题，比如：掉钻、开裂、碳化等，严重影响聚晶金刚石拉丝模的性能稳定性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种聚晶金刚石的制备方法，可以解决目前采用超细金刚石颗粒和粘结剂在制备聚晶金刚石时存在由于混料不均匀而造成制备的聚晶金刚石的强度、韧性无法满足使用要求的问题。
4.本发明的第二个目的在于提供一种聚晶金刚石。
5.本发明的第三个目的在于提供一种聚晶金刚石复合材料的制备方法。
6.本发明的第四个目的在于提供一种聚晶金刚石复合材料。
7.为了实现上述目的，本发明的聚晶金刚石的制备方法所采用的技术方案为：
8.一种聚晶金刚石的制备方法，包括以下步骤：将主要由金刚石颗粒和粘结剂组成的混合料压制成型，得到坯料，再将坯料依次进行第一阶段高温烧结处理和第二阶段高温烧结处理；所述第一阶段高温烧结处理的温度为1395～1405℃，压力为6.3～6.7gpa；所述第二阶段高温烧结处理的温度为1575～1585℃，压力为7.8～8.2gpa；所述第一阶段高温烧结处理的时间为150～400s；所述第二阶段高温烧结处理的时间为150～500s。
9.本发明的聚晶金刚石的制备方法，将坯料依次进行第一阶段高温烧结处理和第二阶段高温烧结处理，第一阶段高温烧结处理可以使粘结剂活化(熔化)，进而使粘结剂在金
刚石颗粒表面和颗粒之间分布均匀，可以使金刚石颗粒表面石墨化；第二阶段高温烧结处理可使金刚石颗粒在粘结剂的催化下完成d-d键结合，得到高致密、分布均匀的聚晶金刚石。由于第一阶段高温烧结处理时间较长，可以保证粘结剂充分活化，进而使更多粘结剂更加均匀地浸润金刚石颗粒，从而保证金刚石颗粒在第二阶段高温烧结处理中更好地完成d-d键结合。本发明制备的聚晶金刚石具有良好的强度、韧性和耐磨性。
10.优选地，所述第一阶段高温烧结处理的温度为1400℃，压力为6.5gpa；所述第二阶段高温烧结处理的温度为1580℃，压力为8gpa。
11.优选地，所述金刚石颗粒的粒度为0.1～50μm。可以理解的是，在具体实施时，可以采用单一粒度的金刚石颗粒，也可以采用由两种或多种粒度的金刚石颗粒组成的混合金刚石颗粒。金刚石颗粒的粒度为0.1～50μm，可以保证金刚石颗粒具有较大的比表面积，第一阶段高温烧结处理后，可保证金刚石颗粒表面石墨化部分占比较大，而且可以使活化的粘结剂更大程度粘附在石墨化的金刚石颗粒表面，从而可使粘附有粘结剂的金刚石颗粒在第二阶段高温烧结处理过程中更好地完成d-d键结合。
12.优选地，所述混合料中金刚石颗粒的质量分数为85～99％。例如，所述混合料中金刚石颗粒的质量分数为90～95％。
13.优选地，所述粘结剂包括第一粘结剂和/或第二粘结剂，所述第一粘结剂为co粉，所述第二粘结剂选自mg粉、al粉、ti粉、wc粉中的一种或任意组合；所述第一粘结剂在所述混合料中的质量分数为5～10％；所述第二粘结剂在所述混合料中的质量分数为0～5％。优选地，所述粘结剂的粒度为0.1～100μm。粘结剂的粒度过小时，容易团聚；粘结剂的粒度过大时，不利于粘结剂在第一阶段高温烧结处理过程中充分活化，进而影响制备的聚晶金刚石的性能。
14.优选地，所述混合料由金刚石颗粒和粘结剂经粉磨制得。优选地，所述粉磨在惰性气氛下进行。优选地，所述粉磨为球磨。优选地，所述球磨采用的球料比为5～10。优选地，所述球磨的转速为200～500r/min。优选地，所述球磨的时间为10～30h。在惰性气氛下将金刚石颗粒和粘结剂进行粉磨，可保证充分混合。
15.优选地，烧结时，所述坯料的周向和两个端部均设置有加热件。在坯料的周向和两个端部均设置有加热件，可以保证烧结时坯料内部的温度分布均匀，进而使坯料内各个位置在致密化过程中的进度保持一致，得到高致密、分布均匀的聚晶金刚石。
16.本发明的聚晶金刚石所采用的技术方案为：
17.一种由上述聚晶金刚石的制备方法制备的聚晶金刚石。
18.本发明的聚晶金刚石具有高致密、内部成分分布均匀的优点，并且具有良好的强度和韧性。
19.本发明的聚晶金刚石复合材料的制备方法所采用的技术方案为：
20.一种聚晶金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：将硬质合金基体和混合料压制成型，得到坯料，再将坯料依次进行第一阶段高温烧结处理和第二阶段高温烧结处理；所述混合料主要由金刚石颗粒和粘结剂组成；所述第一阶段高温烧结处理的温度为1395～1405℃，压力为6.3～6.7gpa；所述第二阶段高温烧结处理的温度为1575～1585℃，压力为7.8～8.2gpa；所述第一阶段高温烧结处理的时间为150～400s；所述第二阶段高温烧结处理的时间为150～500s。
21.本发明的聚晶金刚石复合材料的制备方法，将坯料依次进行第一阶段高温烧结处理和第二阶段高温烧结处理，第一阶段高温烧结处理可以使金刚石颗粒表面石墨化，并且可以使粘结剂活化，进而使粘结剂在金刚石颗粒之间以及金刚石颗粒和硬质合金基体之间分布均匀；第二阶段高温烧结处理使金刚石颗粒在粘结剂的催化下完成d-d键结合，进而提高聚晶金刚石复合材料中的聚晶金刚石的致密性和成分均匀性，并且使硬质合金基体和聚晶金刚石之间具有分布均匀的结合力(d-d键)，可以提高硬质合金基体和聚晶金刚石之间的结合力，避免聚晶金刚石复合材料在使用时出现掉钻、开裂、碳化等问题。
22.优选地，所述第一阶段高温烧结处理的温度为1400℃，压力为6.5gpa；所述第二阶段高温烧结处理的温度为1580℃，压力为8gpa。
23.优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述金刚石颗粒的粒度为0.1～50μm。
24.优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述混合料中金刚石颗粒的质量分数为85～99％。例如，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述混合料中金刚石颗粒的质量分数为90～95％。
25.优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述粘结剂包括第一粘结剂和/或第二粘结剂，所述第一粘结剂为co粉，所述第二粘结剂选自mg粉、al粉、ti粉、wc粉中的一种或任意组合；所述第一粘结剂在所述混合料中的质量分数为5～10％；所述第二粘结剂在所述混合料中的质量分数为0～5％。优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述粘结剂的粒度为0.1～100μm。
26.优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述混合料由金刚石颗粒和粘结剂经粉磨制得。优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述粉磨在惰性气氛下进行。优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述粉磨为球磨。优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述球磨采用的球料比为5～10。优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述球磨的转速为200～500r/min。优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，所述球磨的时间为10～30h。
27.优选地，聚晶金刚石复合材料的制备方法中，烧结时，所述坯料的周向和两个端部均设置有加热件。
28.本发明中，所述聚晶金刚石复合材料为聚晶金刚石拉丝模、聚晶金刚石复合片、pcd刀片等。
29.本发明的聚晶金刚石复合材料所采用的技术方案为：
30.一种上述聚晶金刚石复合材料的制备方法制备的聚晶金刚石复合材料。
31.本发明的聚晶金刚石复合材料具有良好的耐磨性、强度和韧性，聚晶金刚石复合材料中的硬质合金基体和聚晶金刚石之间具有较高的结合力，当聚晶金刚石复合材料制成聚晶金刚石拉丝模时，在实际拉丝过程中，可避免出现掉钻、开裂等现象。
附图说明
32.图1为实施例1制备的聚晶金刚石圆柱体上底面的sem图；
33.图2为实施例1制备的聚晶金刚石圆柱体下底面的sem图。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
35.一、本发明的聚晶金刚石的制备方法的具体实施例如下：
36.实施例1
37.本实施例的聚晶金刚石的制备方法，具体包括以下步骤：
38.(1)将金刚石颗粒和粘结剂放入球磨罐内，然后加入研磨球(球料比为5)，在惰性气体保护下以200r/min的转速球磨混料30h，得到混合料；金刚石颗粒的粒度为0.1～50μm，粘结剂为co粉，粒度为0.1～100μm，惰性气体为氩气；混合料中金刚石颗粒的质量分数为95％，co粉的质量分数为5％；
39.(2)将步骤(1)得到的混合料装到金属杯中，再将金属杯和组装合成块的各部件进行组装形成组装合成块，再利用六面顶压机完成高温高压烧结；高温高压烧结分为两个阶段，第一阶段烧结采用的温度为1400℃，第一阶段烧结采用的压力为6.5gpa，第一阶段烧结的时间为150s，第二阶段烧结采用的温度为1580℃，第二阶段烧结采用的压力为8gpa，第二阶段烧结的时间为500s。
40.实施例2
41.本实施例的聚晶金刚石的制备方法，具体包括以下步骤：
42.(1)将金刚石颗粒和粘结剂放入球磨罐内，然后加入研磨球(球料比为10)，在惰性气体保护下以500r/min的转速球磨混料10h，得到混合料；金刚石颗粒的粒度为0.1～50μm，粘结剂为co粉，粒度为0.1～100μm，惰性气体为氩气；混合料中金刚石颗粒的质量分数为90％，co粉的质量分数为10％；
43.(2)将步骤(1)得到的混合料装到金属杯中，再将金属杯和组装合成块的各部件进行组装形成组装合成块，再利用六面顶压机完成高温高压烧结；高温高压烧结分为两个阶段，第一阶段烧结采用的温度为1400℃，第一阶段烧结采用的压力为6.5gpa，第一阶段烧结的时间为300s，第二阶段烧结采用的温度为1580℃，第二阶段烧结采用的压力为8gpa，第二阶段烧结的时间为200s。
44.实施例3
45.本实施例的聚晶金刚石的制备方法，具体包括以下步骤：
46.(1)将金刚石颗粒和粘结剂放入球磨罐内，然后加入研磨球(球料比为7)，在惰性气体保护下以300r/min的转速球磨混料20h，得到混合料；金刚石颗粒的粒度为0.1～50μm，粘结剂为co粉，粒度为0.1～100μm，惰性气体为氩气；混合料中金刚石颗粒的质量分数为93％，co粉的质量分数为7％；
47.(2)将步骤(1)得到的混合料装到金属杯中，再将金属杯和组装合成块的各部件进行组装形成组装合成块，再利用六面顶压机完成高温高压烧结；高温高压烧结分为两个阶段，第一阶段烧结采用的温度为1400℃，第一阶段烧结采用的压力为6.5gpa，第一阶段烧结的时间为200s，第二阶段烧结采用的温度为1580℃，第二阶段烧结采用的压力为8gpa，第二阶段烧结的时间为300s。
48.实施例4
49.本实施例的聚晶金刚石的制备方法，具体包括以下步骤：
50.(1)将金刚石颗粒和粘结剂放入球磨罐内，然后加入研磨球(球料比为5)，在惰性
气体保护下以200r/min的转速球磨混料30h，得到混合料；金刚石颗粒的粒度为0.1～50μm，粘结剂包括第一粘结剂和第二粘结剂，第一粘结剂为co粉，第二粘结剂由mg粉和al粉组成，粘结剂的粒度为0.1～100μm，惰性气体为氩气；混合料中金刚石颗粒的质量分数为95％，co粉的质量分数为5％，mg粉的质量分数为3％，al粉的质量分数为2％；
51.(2)将步骤(1)得到的混合料装到金属杯中，再将金属杯和组装合成块的各部件进行组装形成组装合成块，再利用六面顶压机完成高温高压烧结；高温高压烧结分为两个阶段，第一阶段烧结采用的温度为1400℃，第一阶段烧结采用的压力为6.5gpa，第一阶段烧结的时间为400s，第二阶段烧结采用的温度为1580℃，第二阶段烧结采用的压力为8gpa，第二阶段烧结的时间为200s。
52.实施例5
53.本实施例的聚晶金刚石的制备方法，具体包括以下步骤：
54.(1)将金刚石颗粒和粘结剂放入球磨罐内，然后加入研磨球(球料比为5)，在惰性气体保护下以200r/min的转速球磨混料30h，得到混合料；金刚石颗粒的粒度为0.1～50μm，粘结剂包括第一粘结剂和第二粘结剂，第一粘结剂为co粉，第二粘结剂由ti粉和wc粉组成，粘结剂的粒度为0.1～100μm，惰性气体为氩气；混合料中金刚石颗粒的质量分数为95％，co粉的质量分数为5％，ti粉的质量分数为2.5％，wc粉的质量分数为2.5％；
55.(2)将步骤(1)得到的混合料装到金属杯中，再将金属杯和组装合成块的各部件进行组装形成组装合成块，再利用六面顶压机完成高温高压烧结；高温高压烧结分为两个阶段，第一阶段烧结采用的温度为1400℃，第一阶段烧结采用的压力为6.5gpa，第一阶段烧结的时间为400s，第二阶段烧结采用的温度为1580℃，第二阶段烧结采用的压力为8gpa，第二阶段烧结的时间为150s。
56.二、本发明的聚晶金刚石的具体实施例如下：
57.本实施例的聚晶金刚石由实施例1-5中任一聚晶金刚石的制备方法制备得到。
58.三、本发明的聚晶金刚石复合材料的制备方法的具体实施例如下：
59.实施例6
60.本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
61.将硬质合金基体和实施例1的聚晶金刚石的制备方法中步骤(1)得到的混合料装到金属杯中，再将金属杯和组装合成块的各部件进行组装形成组装合成块，再利用六面顶压机完成高温高压烧结；高温高压烧结分为两个阶段，第一阶段烧结采用的温度为1400℃，第一阶段烧结采用的压力为6.5gpa，第一阶段烧结的时间为150s，第二阶段烧结采用的温度为1580℃，第二阶段烧结采用的压力为8gpa，第二阶段烧结的时间为500s。
62.实施例7
63.本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法与实施例6的聚晶金刚石复合材料的制备方法的区别仅在于，本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法中所用的混合料为实施例2的聚晶金刚石的制备方法中步骤(1)得到的混合料，本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法中的高温高压烧结工艺采用实施例2的聚晶金刚石的制备方法中步骤(2)中的高温高压烧结工艺。
64.实施例8
65.本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法与实施例6的聚晶金刚石复合材料的
制备方法的区别仅在于，本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法中所用的混合料为实施例3的聚晶金刚石的制备方法中步骤(1)得到的混合料，本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法中的高温高压烧结工艺采用实施例3的聚晶金刚石的制备方法中步骤(2)中的高温高压烧结工艺。
66.实施例9
67.本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法与实施例6的聚晶金刚石复合材料的制备方法的区别仅在于，本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法中所用的混合料为实施例4的聚晶金刚石的制备方法中步骤(1)得到的混合料，本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法中的高温高压烧结工艺采用实施例4的聚晶金刚石的制备方法中步骤(2)中的高温高压烧结工艺。
68.实施例10
69.本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法与实施例6的聚晶金刚石复合材料的制备方法的区别仅在于，本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法中所用的混合料为实施例5的聚晶金刚石的制备方法中步骤(1)得到的混合料，本实施例的聚晶金刚石复合材料的制备方法中的高温高压烧结工艺采用实施例5的聚晶金刚石的制备方法中步骤(2)中的高温高压烧结工艺。
70.四、本发明的聚晶金刚石复合材料的具体实施例如下：
71.本实施例的聚晶金刚石复合材料由实施例6-10中任一聚晶金刚石复合材料的制备方法制得。
72.实验例1
73.采用扫描电子显微镜(sem)实施例1制备的聚晶金刚石圆柱体上下两个底面的形貌。结果如图1-2所示。结果表明，实施例1制备的聚晶金刚石圆柱体上下两个底面的形貌相同，d-d键结合好，粘结剂分布均匀。
74.实验例2
75.分别在同等测试条件下测试了实施例1-5制备的聚晶金刚石的耐磨性、抗冲击韧性、热稳定性。其中，按照jb/t3235-2013《人造金刚石烧结体磨耗比测定方法》规定的方法进行耐磨性测试；采用落锤冲击的方法进行抗冲击韧性测试(即：1.5kg的冲锤在10cm高度自由落下，利用该能量冲击试样的棱角进行测试，以试样表面出现微观裂纹时，得到抗冲击韧性值)；采用tgdsc差热热重分析仪测试热稳定性，设定条件为空气加热，升温速率20℃/min。
76.结果如表1所示。
77.表1实施例1-5制备的聚晶金刚石的耐磨性、抗冲击韧性、热稳定性
78.聚晶金刚石磨耗比(万)抗冲击韧性(j)初始氧化温度(℃)实施例141.81367943实施例242.31385953实施例3421374949实施例442.51395953实施例5431420960
79.实验例3
80.在相同条件下测试实施例1-5制备的聚晶金刚石的努氏硬度，测试结果如表2所示。
81.表2实施例1-5制备的聚晶金刚石的努氏硬度
82.