一种纳米结合剂及利用该结合剂制成的刀具用金刚石聚晶复合片

摘要

本发明涉及一种纳米结合剂，该结合剂由以下重量百分含量的原料组成：Co粉97.5～99.5%、NbC粉0.45～1.5%、B粉0.05～1%。本发明还公开了一种利用该纳米结合剂制成的刀具用金刚石聚晶复合片，其包括金刚石聚晶层和硬质合金基片，该刀具用金刚石聚晶层由以下重量百分含量的原料组成：金刚石粉94～97%和纳米金属结合剂3～6%。本发明刀具用金刚石聚晶复合片通过在聚晶层配方中采用纳米结合剂，突破了金刚石复合片高耐磨和高抗弯强度的技术瓶颈，增加了刀具的耐磨和耐热性能，延长刀具的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于结合剂和复合刀具材料技术领域，具体涉及一种纳米结合剂及利用该结合剂制成的刀具用金刚石聚晶复合片。

背景技术

刀具用金刚石聚晶复合片（PCD）是以金刚石微粉为原料，硬质合金作为基体，通过特定的合成工艺在高温高压条件下烧结而成的一种超硬复合材料。复合片兼具金刚石硬度高、耐磨性好以及硬质合金抗冲击性能强的优点，广泛应用于有色金属和难加工非金属材料的切削加工领域。

国外发达国家从八十年代初期已成功研制出刀具用金刚石聚晶复合片，经过三十多年的不断探索提高，对刀具用金刚石聚晶复合片的研究已基本进入成熟阶段，产品也向多样化、系列化方向发展。目前，国内能够制造PCD的厂家虽然数量较多，但总体来说国内的刀具用金刚石聚晶复合片较国外产品无论从质量上、规格上还是品种上都有一定的差距，与国际先进水平差距大，高档PCD产品基本依赖进口。

 国产PCD产品由于配方与工艺的限制，存在的问题有：1）复合片磨耗比为28-32万（国外为38万左右）。2）复合片热稳定性：国内产品在750℃焙烧2分钟以后，产品磨耗比下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米结合剂及利用该结合剂制成的刀具用金刚石聚晶复合片。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米结合剂，由以下重量百分含量的成分组成：Co粉97.5-99.5%、NbC粉0.45-1.5%、B粉0.05-1%。

较好的，所述NbC和B粉的粒径为20-25nm，Co粉粒径为30-35nm，所述NbC粉、B粉、Co粉都为分析纯，这样更有利于增强聚晶金刚石复合片的耐磨性能和热稳定性。

一种利用上述纳米结合剂制成的刀具用金刚聚晶石复合片，包括金刚石聚晶层和硬质合金基片，金刚石聚晶层由以下重量百分含量的原料组成：金刚石粉94-97%、纳米结合剂3-6%；较好的，所述金刚石粉的粒径为4-6μm。

所述硬质合金基片由以下重量百分比的原料组成：碳化钨粉89.5-90.5%、钴粉9.5-10.5%。该金刚石聚晶层和硬质合金基片有利于增加金刚石复合片的耐磨性能，延长使用寿命。当碳化钨粉的粒径为1.8-2.2μm，钴粉粒径为1.0-1.2μm时效果较好。硬质合金基片的制备为本领域的常规方法，故此处不再赘述。

上述刀具用金刚石聚晶复合片的制备方法，包括以下步骤：

（1）净化与还原处理：用35-40wt%的氢氧化钠水溶液煮沸金刚石粉5-10min，水洗至中性，接着用王水煮沸5-10min，并水洗至中性，备用；750-800℃下，氢气还原炉中还原处理纳米结合剂2-3h，备用；

（2）混料：将按比例称取的纳米结合剂和金刚石粉投入行星式球磨机进行混料，物料和硬质合金球的重量比为1∶2.5-3.5，向球磨机中充入液氮，液氮与物料和球的体积比为1∶1-1.5；其中，球磨机的公转速度为55-65r/min,自转速度为115-125r/min，球磨时间为10-20h；

（3）复合体组装与真空处理：将混合好的金刚石粉和纳米结合剂及硬质合金基片放入钼杯中，扣上钼盖，在不高于3×10^-4Pa、750-800℃条件下保温反应2.5-3h，得复合体组件；

（4）高温高压烧结：将复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在1350-1450℃、6-7GPa条件下合成25-35min。

本发明研究了该金刚石聚晶复合片的微观结构，发现纳米结合剂与金刚石之间具有良好的结合性能，说明纳米材料结合剂有助于烧结并且提高金刚石之间（D-D键）的成键密度。

通过调整金刚石聚晶层配方和选择硬质合金牌号，解决聚晶层与硬质合金衬底之间由于热膨胀系数及弹性模量差异而导致的分层和裂纹等现象，强化了金刚石聚晶层与硬质合金基片之间的结合。

本发明刀具用金刚石聚晶复合片在制备过程中，解决了纳米材料混料均匀性问题，在行星式球磨机上利用液氮球磨技术进行混料，混料过程中球磨罐内粉料始终处于惰性液态流动状态，使所磨的材料更加均匀，并能解决部分材料的沉底和刀具粘罐问题。混料机理：行星式球磨是在一大盘上装有四个硬质合金球磨罐，球磨介质采用硬质合金球，当大盘转动（公转）时，磨罐在其公转轨道上作自转运动（公转：自转速比1：2），大盘和球磨罐在做行星运动的同时，又可在一立体空间范围内做360°翻斗式翻转，粉料在球磨罐内始终处于惰性液态流动状态。

此外，利用真空高温脱气的方式，将复合体粉末料中的挥发性杂质完全除去，彻底消除其对金刚石复合片烧结产生的不利影响。

本发明刀具用金刚石聚晶复合片通过在聚晶层配方中采用纳米结合剂，利用纳米技术进行合理安排与配方选择，突破了金刚石复合片高耐磨性和高抗冲击韧性的技术瓶颈。与现有的聚晶金刚石复合片相比：磨耗比由28～32万提高到35～40万；热稳定性：在750℃焙烧2分钟以后，产品磨耗比33～38万，产品的磨耗比焙烧前后变化不大。本发明纳米材料结合剂在高温高压下具有较好的烧结促进作用，有助于烧结而提高金刚石之间（D-D键）的成键密度，有利于形成强韧的烧结体，增加了刀具的耐磨性能，延长了刀具的使用寿命。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

一种刀具用金刚石聚晶复合片，包括金刚石聚晶层和硬质合金基片，金刚石聚晶层由以下重量百分数的原料组成：金刚石粉（粒径4μm）94%和纳米结合剂6%，硬质合金基片由以下重量百分数的原料组成：碳化钨粉（粒径1.8μm）89.5%和分析纯钴粉（1.0μm）10.5%；所述纳米结合剂由以下重量百分数的原料组成：分析纯Co粉（粒径20nm）97.5%、分析纯NbC粉（粒径20nm）1.5%、分析纯B粉（粒径30nm）1%。

上述金刚石聚晶复合片的制备方法，包括以下步骤：

（1）净化和还原处理：将金刚石粉先用质量浓度为35%的氢氧化钠水溶液煮沸5min，用蒸馏水洗涤至中性，然后用王水煮沸5min，并用蒸馏水洗涤至中性，备用；将纳米结合剂在氢气还原炉中、750℃下，还原反应2h，备用；

（2）混料：按上述比例称取处理过的金刚石粉和纳米结合剂，然后用行星式球磨机进行混料，具体参数为：物料与硬质合金球（φ5）重量比为1∶2.5；从球磨罐端部接口处充入液氮，液氮与物料和球的体积比为1∶1，其中，球磨机的公转速度为55r/min,自转速度为115r/min，球磨时间为10h；

（3）复合体组装与真空处理：将混合好的金刚石粉和纳米结合剂倒入圆柱形金属钼杯中，然后放入硬质合金基片并扣上金属钼盖，在真空烧结炉中，3×10^-4Pa、750℃下保温反应2.5小时得复合体组件；

（4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度1350℃、6GPa条件下合成25min，即得刀具用金刚石聚晶复合片。本方法中所用六面顶压机合成设备：采用六缸不等压方式（上下缸压力高于水平缸压力5％），并通过上下顶锤加热实现复合片高温高压烧结。

经检测，所制得的金刚石聚晶复合片的主要性能指标为：（1）复合片磨耗比为38万；（2）复合片热稳定性：产品在750℃焙烧2min后复合片的磨耗比为37万。

实施例2

一种刀具用金刚石聚晶复合片，包括金刚石聚晶层和硬质合金基片，金刚石聚晶层由以下重量百分数的原料组成：金刚石粉（粒径6μm）97%和纳米结合剂3%，硬质合金基片由以下重量百分数的原料组成：碳化钨粉（粒径2.2μm）90.5%和分析纯钴粉（1.2μm）9.5%；所述纳米结合剂由以下重量百分数的原料组成：分析纯Co粉（粒径25nm）99.5%、分析纯NbC粉（粒径25nm）0.45%、分析纯B粉（粒径35nm）0.05%。

上述金刚石聚晶复合片的制备方法，包括以下步骤：

（1）净化和还原处理：将金刚石粉先用质量浓度为40%的氢氧化钠水溶液煮沸10min，用蒸馏水洗涤至中性，然后用王水煮沸10min，并用蒸馏水洗涤至中性，备用；将纳米结合剂在氢气还原炉中、800℃下，还原反应3h，备用；

（2）混料：按上述比例称取处理过的金刚石粉和纳米结合剂，然后用行星式球磨机进行混料，具体参数为：物料与硬质合金球（φ5）重量比为1∶3.5；从球磨罐端部接口处充入液氮，液氮与物料和球的体积比为1∶1.5，其中，球磨机的公转速度为65r/min,自转速度为125r/min，球磨时间为20h；

（3）复合体组装与真空处理：将混合好的金刚石粉和纳米结合剂倒入圆柱形金属钼杯中，然后放入硬质合金基片并扣上金属钼盖，在真空烧结炉中，2×10^-4Pa、800℃下保温反应3小时得复合体组件；

（4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度1450℃、7GPa条件下合成35min，即得刀具用金刚石聚晶复合片。本方法中所用六面顶压机合成设备：采用六缸不等压方式（上下缸压力高于水平缸压力5％），并通过上下顶锤加热实现复合片高温高压烧结。

经测试，所制得的金刚石聚晶复合片的主要性能指标为：（1）复合片磨耗比为39万；（2）复合片热稳定性：产品在750℃下焙烧2min后，复合片磨耗比为37.5万。

实施例3

一种刀具用金刚石聚晶复合片，包括金刚石聚晶层和硬质合金基片，金刚石聚晶层由以下重量百分数的原料组成：金刚石粉（粒径5μm）95%和纳米结合剂5%，硬质合金基片由以下重量百分数的原料组成：碳化钨粉（粒径2.0μm）90%和分析纯钴粉（1.0μm）10%；所述纳米结合剂由以下重量百分数的原料组成：分析纯Co粉（粒径23nm）99%、分析纯NbC粉（粒径22nm）0.8%、分析纯B粉（粒径33nm）0.2%。

上述金刚石聚晶复合片的制备方法，包括以下步骤：

（1）净化和还原处理：将金刚石粉先用质量浓度为37%的氢氧化钠水溶液煮沸8min，用蒸馏水洗涤至中性，然后用王水煮沸9min，并用蒸馏水洗涤至中性，备用；将纳米结合剂在氢气还原炉中、780℃下，还原反应2.5h，备用；

（2）混料：按上述比例称取处理过的金刚石粉和纳米结合剂，然后用行星式球磨机进行混料，具体参数为：物料与硬质合金球（φ5）重量比为1∶3；从球磨罐端部接口处充入液氮，液氮与物料和球的体积比为1∶1.2，其中，球磨机的公转速度为60r/min,自转速度为120r/min，球磨时间为15h；

（3）复合体组装与真空处理：将混合好的金刚石粉和纳米结合剂倒入圆柱形金属钼杯中，然后放入硬质合金基片并扣上金属钼盖，在真空烧结炉中，1×10^-4Pa、780℃下保温反应2.6小时得复合体组件；

（4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度1400℃、6.5GPa条件下合成30min，即得刀具用金刚石聚晶复合片。本方法中所用六面顶压机合成设备：采用六缸不等压方式（上下缸压力高于水平缸压力5％），并通过上下顶锤加热实现复合片高温高压烧结。

经测试，所制得的金刚石聚晶复合片的主要性能指标为：（1）复合片磨耗比为39.5万；（2）复合片热稳定性：产品在750℃下焙烧2min后，复合片磨耗比为37万。

实施例4

一种刀具用金刚石聚晶复合片，包括金刚石聚晶层和硬质合金基片，金刚石聚晶层由以下重量百分数的原料组成：金刚石粉（粒径6μm）96%和纳米结合剂4%，硬质合金基片由以下重量百分数的原料组成：碳化钨粉（粒径2.1μm）90.2%和分析纯钴粉（1.1μm）9.8%；所述纳米结合剂由以下重量百分数的原料组成：分析纯Co粉（粒径22nm）98%、分析纯NbC粉（粒径23nm）1.2%、分析纯B粉（粒径31nm）0.8%。

上述金刚石聚晶复合片的制备方法，包括以下步骤：

（1）净化和还原处理：将金刚石粉先用质量浓度为38%的氢氧化钠水溶液煮沸6min，用蒸馏水洗涤至中性，然后用王水煮沸7min，并用蒸馏水洗涤至中性，备用；将纳米结合剂在氢气还原炉中、760℃下，还原反应2.3h，备用；

（2）混料：按上述比例称取处理过的金刚石粉和纳米结合剂，然后用行星式球磨机进行混料，具体参数为：物料与硬质合金球（φ5）重量比为1∶3.2；从球磨罐端部接口处充入液氮，液氮与物料和球的体积比为1∶1.4，其中，球磨机的公转速度为62r/min,自转速度为118r/min，球磨时间为17h；

（3）复合体组装与真空处理：将混合好的金刚石粉和纳米结合剂倒入圆柱形金属钼杯中，然后放入硬质合金基片并扣上金属钼盖，在真空烧结炉中，5×10^-5Pa、760℃下保温反应2.8小时得复合体组件；

（4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度1380℃、6.7GPa条件下合成33min，即得刀具用金刚石聚晶复合片。本方法中所用六面顶压机合成设备：采用六缸不等压方式（上下缸压力高于水平缸压力5％），并通过上下顶锤加热实现复合片高温高压烧结。

经测试，制得的金刚石聚晶复合片的主要性能指标为：（1）复合片磨耗比为38.5万；（2）复合片热稳定性：产品在750℃下焙烧2min后，复合片磨耗比为37万。