一種新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，包括：a、制備超硬材料增強(qiáng)芯；b、粉體壓制；c、合成和d、后處理步驟。本發(fā)明在PDC中添加了如氮化硼、碳氮化硼、碳化硼和納米氮化硼聚晶材料作為增強(qiáng)芯，是一種在高溫高壓條件下合成復(fù)合超硬材料的新方法，屬于超硬材料領(lǐng)域。本發(fā)明提出的一種具有增強(qiáng)芯的PDC復(fù)合超硬材料的制造方法，使其同時有聚晶材料的韌性，又有媲美天然金剛石的超高硬度，并且在切削過程中形成凸臺狀犁削被切削物而避免磨削導(dǎo)致的低切削效率和高磨損率，提高了PDC復(fù)合材料的性能，拓寬超硬材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】一種新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種超硬材料領(lǐng)域，特別是一種具有了如氮化硼、碳氮化硼、碳化硼和納米氮化硼聚晶材料作為強(qiáng)化芯的聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)超硬耐磨復(fù)合材料的制備方法，是一種高溫高壓燒結(jié)合成超硬復(fù)合材料的新方法。
【背景技術(shù)】
[0003]聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)是由聚晶金剛石薄層附著粘接在硬質(zhì)合金基底上的一種復(fù)合材料。因PDC兼具有金剛石聚晶的高硬度高耐磨性和硬質(zhì)合金的高韌性，同時金剛石膜層始終保持有良好的切削刃，因此PDC被廣泛地應(yīng)用于精密機(jī)械加工、地質(zhì)工程鉆探等領(lǐng)域。
[0004]目前國內(nèi)外聚晶金剛石大多是將聚晶金剛石層磨成平面狀以減少切屑黏著現(xiàn)象，這也導(dǎo)致了 PDC在使用時隨著磨損量增大，聚晶金剛石層工作面加大，切削刃變鈍，切削效率降低且磨損加快。
[0005]由于PDC金剛石層在合成時會采用催化劑，催化劑與金剛石材料的熱膨脹率不盡相同，并且能加快金剛石石墨化速率，這就導(dǎo)致了 PDC金剛石層在使用中會產(chǎn)生氧化、石墨化、熱應(yīng)力破碎等現(xiàn)象。
[0006]PDC復(fù)合材料在使用時也會出現(xiàn)硬度不足的現(xiàn)象，這些都限制了 PDC的應(yīng)用。
[0007]超硬材料如立方氮化硼(c-BN)、立方碳氮化硼(c-BC2N)、碳化硼(B4C)和納米孿晶立方氮化硼(nt-CBN)等都是硬度這一單一性能突出的特殊材料，因其脆性較高使用局限性較大。
[0008]隨著現(xiàn)代機(jī)械加工制造及石油、地質(zhì)勘探行業(yè)對roc的應(yīng)用增加，制造出新型的性能更加優(yōu)異的PDC材料是當(dāng)前極有價值的研究方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題就在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，它克服了現(xiàn)有PDC復(fù)合材料的不足，是一種具有增強(qiáng)芯的PDC復(fù)合超硬材料的制備方法，制備的材料同時具有硬質(zhì)合金的韌性，又有媲美天然金剛石的超高硬度，并且在切削過程中形成凸臺狀犁削被切削物而避免磨削導(dǎo)致的低切削效率和高磨損率，提高PDC復(fù)合材料的性能，拓寬超硬材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0010]為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
本發(fā)明提供了一種新 型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，包括以下步驟:
a、制備超硬材料增強(qiáng)芯:采用激光切割技術(shù)將增強(qiáng)芯超硬材料切割成增強(qiáng)芯柱體；
b、粉體壓制:在不銹鋼模具中將聚晶金剛石層粉體和硬質(zhì)合金粉體裝填好后，在混合粉體中埋入增強(qiáng)芯柱體；利用液壓機(jī)將粉料壓制成坯，將毛坯放入石墨模具中，真空還原； C、合成:把石墨組裝塊放入葉臘石塊中組裝好，將組裝完成的葉臘石塊放入壓機(jī)中，在高壓40-70MPa、加熱電流20-45A、加熱臺階在30-35 MPa的合成條件下合成含有增強(qiáng)相的PDC復(fù)合超硬材料；
d、后處理:將獲得的含有增強(qiáng)相的PDC復(fù)合超硬材料進(jìn)行后處理。
[0011]本發(fā)明中，所述增強(qiáng)芯超硬材料為立方氮化硼C-BN、立方碳氮化硼C-BC2N、碳化硼B(yǎng)4C或納米孿晶立方氮化硼nt-CBN中的一種或多種。
[0012]本發(fā)明中，所述增強(qiáng)芯柱體埋入混合粉體中要使得增強(qiáng)芯柱體有70%以上的表面積處于粉體包裹下。
[0013]本發(fā)明中，液壓機(jī)將粉料壓制成坯時壓力為30 MPa以上。
[0014]本發(fā)明中，所述真空還原的時間大于24 h。
[0015]本發(fā)明中，所述后處理為酸洗或球磨后酸洗，酸洗后再研磨。
[0016]本發(fā)明中，所述增強(qiáng)芯柱體的截面為圓形、方形或三角形。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明克服了 PDC材料在使用一段時間后出現(xiàn)的切削刃鈍化導(dǎo)致的切削效率降低和磨損量的升高，添加的超硬材料增強(qiáng)芯在使用過程中會產(chǎn)生凸臺狀物使PDC材料從磨削去除被切削材料形式變?yōu)槔缦鞅磺邢鞑牧闲问剑岣吡饲邢餍什⑶已娱L了 PDC材料的使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為采用了截面為圓形的增強(qiáng)芯柱體的的PDC復(fù)合超硬材料。
[0019]圖2為采用了截面為方形的增強(qiáng)芯柱體的的PDC復(fù)合超硬材料。
[0020]圖3為采用了截面為三角形的增強(qiáng)芯柱體的的PDC復(fù)合超硬材料。
[0021]【具體實(shí)施方式】
本發(fā)明提供了一種新型具有超硬材料增強(qiáng)芯的PDC復(fù)合超硬材料的合成方法，下面結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0022]實(shí)施例1 如圖1所示:
1、利用激光切割機(jī)將立方氮化硼切割成Φ I X4mm小圓柱。
[0023]2、在不銹鋼模具中把聚晶金剛石層粉體和硬質(zhì)合金粉體裝填好后，埋入I個增強(qiáng)芯，增強(qiáng)芯柱體完全處于粉體包裹下。利用液壓機(jī)在30MPa下把粉料壓制成坯。將毛坯放入石墨模具中，在真空還原爐中還原48h。
[0024]3、把經(jīng)過真空還原處理的石墨組裝塊放入葉臘石塊中組裝，將組裝好的葉臘石塊放入鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)中。壓機(jī)壓力逐步升至65MPa保持穩(wěn)定，在壓機(jī)壓力升至30MPa后開始加熱，在加熱電流35A下維持18min。
[0025]4、將經(jīng)過高溫高壓合成的燒結(jié)產(chǎn)物混合硬質(zhì)合金小球進(jìn)行球磨，球磨后酸洗并對出現(xiàn)棱角的地方進(jìn)行拋光即得含立方氮化硼增強(qiáng)芯PDC復(fù)合超硬材料。
[0026]實(shí)施例2 如圖2所示:
1、利用激光切割機(jī)將立方碳氮化硼切割成IX lX5mm小方柱。
[0027]2、在不銹鋼模具中把聚晶金剛石層粉體和硬質(zhì)合金粉體裝填好后，埋入增強(qiáng)芯柱體，增強(qiáng)芯柱體有70%以上的表面積處于粉體包裹下。利用液壓機(jī)在35MPa下把粉料壓制成坯。將毛坯放入石墨模具中，在真空還原爐中還原24h。
[0028]3、把經(jīng)過真空還原處理的石墨組裝塊放入葉臘石塊中組裝，將組裝好的葉臘石塊放入鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)中。壓機(jī)壓力逐步升至65MPa保持穩(wěn)定，在壓機(jī)壓力升至30MPa后開始加熱，在加熱電流35A下維持15min。
[0029]4、將經(jīng)過高溫高壓合成的燒結(jié)產(chǎn)物混合硬質(zhì)合金小球進(jìn)行球磨，球磨后酸洗并對出現(xiàn)棱角的地方進(jìn)行拋光即得含立方碳氮化硼增強(qiáng)芯PDC復(fù)合超硬材料。
[0030]實(shí)施例3 如圖2所示:
1、利用激光切割機(jī)將碳化硼切割成邊長為1.2mm，高為4mm的三棱柱體。
[0031]2、在不銹鋼模具中把聚晶金剛石層粉體和硬質(zhì)合金粉體裝填好后，埋入增強(qiáng)芯柱體，增強(qiáng)芯柱體有70%以上的表面積處于粉體包裹下。利用液壓機(jī)在40MPa下把粉料壓制成坯。將毛坯放入石墨模具中，在真空還原爐中還原36h。
[0032]3、把經(jīng)過真空還原處理的石墨組裝塊放入葉臘石塊中組裝，將組裝好的葉臘石塊放入鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)中。壓機(jī)壓力逐步升至40MPa保持穩(wěn)定，在壓機(jī)壓力升至35MPa后開始加熱，在加熱電流45A下維持15min。
[0033]4、將經(jīng)過高溫高壓合成的燒結(jié)產(chǎn)物混合硬質(zhì)合金小球進(jìn)行球磨，球磨后酸洗并對出現(xiàn)棱角的地方進(jìn)行拋光即得含碳化硼增強(qiáng)芯PDC復(fù)合超硬材料。
[0034]實(shí)施例4 如圖3所示:
1、利用激光切割機(jī)將納米孿晶立方氮化硼切割成Φ1.2X4mm的圓柱體。
[0035]2、在不銹鋼模具中把聚晶金剛石層粉體和硬質(zhì)合金粉體裝填好后，埋入增強(qiáng)芯柱體，增強(qiáng)芯柱體完全處于粉體包裹下。利用液壓機(jī)在30MPa下把粉料壓制成坯。將毛坯放入石墨模具中，在真空還原爐中還原24h。
[0036]3、把經(jīng)過真空還原處理的石墨組裝塊放入葉臘石塊中組裝，將組裝好的葉臘石塊放入鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)中。壓機(jī)壓力逐步升至55MPa保持穩(wěn)定，在壓機(jī)壓力升至33MPa后開始加熱，在加熱電流42A下維持18min。
[0037]4、將經(jīng)過高溫高壓合成的燒結(jié)產(chǎn)物混合硬質(zhì)合金小球進(jìn)行球磨，球磨后酸洗并對出現(xiàn)棱角的地方進(jìn)行拋光即得含納米孿晶立方氮化硼增強(qiáng)芯PDC復(fù)合超硬材料。
[0038]實(shí)施例5 如圖1所示:
1、利用激光切割機(jī)將立方氮化硼材料切割成Φ1.5X4mm小圓柱，將納米孿晶立方氮化硼材料切割成Φ 1.5 X 4mm小圓柱。
[0039]2、在不銹鋼模具中把聚晶金剛石層粉體和硬質(zhì)合金粉體裝填好后，埋入相同數(shù)量的立方氮化硼和納米孿晶立方氮化硼增強(qiáng)芯柱體，增強(qiáng)芯柱體有70%以上的表面積處于粉體包裹下。利用液壓機(jī)在45MPa下把粉料壓制成坯。將毛坯放入石墨模具中，在真空還原爐中還原48h。
[0040]3、把經(jīng)過真空還原處理的石墨組裝塊放入葉臘石塊中組裝，將組裝好的葉臘石塊放入鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)中。壓機(jī)壓力逐步升至50MPa保持穩(wěn)定，在壓機(jī)壓力升至32MPa后開始加熱，在加熱電流38A下維持17min。
[0041]4、將經(jīng)過高溫高壓合成的燒結(jié)產(chǎn)物混合硬質(zhì)合金小球進(jìn)行球磨，球磨后酸洗并對出現(xiàn)棱角的地方進(jìn)行拋光即得含立方氮化硼和納米孿晶立方氮化硼增強(qiáng)芯PDC復(fù)合超硬材料。
[0042]最后應(yīng)說明的是:顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: a、制備超硬材料增強(qiáng)芯:采用激光切割技術(shù)將增強(qiáng)芯超硬材料切割成增強(qiáng)芯柱體； b、粉體壓制:在不銹鋼模具中將聚晶金剛石層粉體和硬質(zhì)合金粉體裝填好后，在混合粉體中埋入增強(qiáng)芯柱體；利用液壓機(jī)將粉料壓制成坯，將毛坯放入石墨模具中，真空還原； C、合成:把石墨組裝塊放入葉臘石塊中組裝好，將組裝完成的葉臘石塊放入壓機(jī)中，在高壓40-65 MPa、加熱電流35-45 A、加熱臺階在30-35 MPa的合成條件下合成含有增強(qiáng)相的PDC復(fù)合超硬材料； d、后處理:將獲得的含有增強(qiáng)相的PDC復(fù)合超硬材料進(jìn)行后處理。
2.如權(quán)利要求1所述的新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，其特征在于，所述增強(qiáng)芯超硬材料為立方氮化硼c-BN、立方碳氮化硼c-BC2N、碳化硼B(yǎng)4C或納米孿晶立方氮化硼nt-CBN中的一種或多種。
3.如權(quán)利要求1所述的新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，其特征在于，所述增強(qiáng)芯柱體埋入混合粉體中要使得增強(qiáng)芯柱體有70%以上的表面積處于粉體包裹下。
4.如權(quán)利要求1所述的新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，其特征在于，液壓機(jī)將粉料壓制成坯時壓力為30 MPa以上。
5.如權(quán)利要求1所述的新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，其特征在于，所述真空還原的時間大于24 h。
6.如權(quán)利要求1所述的新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，其特征在于，所述后處理為酸洗或球磨后酸洗，酸洗后再研磨。
7.如權(quán)利要求1-6之任一所述的新型聚晶金剛石復(fù)合片超硬材料的制備方法，其特征在于，所述增強(qiáng)芯柱體的截面為圓形、方形或三角形。
【文檔編號】B22F7/08GK103737008SQ201410025089
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】岳 文, 王成彪, 吳宗毅, 顏剛, 孟德忠, 林芳, 付志強(qiáng) 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)（北京）, 北京華油冠昌環(huán)保能源科技發(fā)展有限公司