CN105671542B - 一种金刚石熔盐镀钨的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金刚石熔盐镀钨的方法，其特征在于将金刚石在丙酮中超声清洗去除表面的油污后，接着用酒精超声清洗并干燥；然后将清洗后的金刚石、含钨铵盐、熔盐用盐按一定比例混合并球磨，将球磨好的粉末置于氧化铝坩埚中进行高温处理，处理温度为900‑1200℃，保温时间0.5‑4h，随炉冷却。将高温处理后的粉末进一步的研磨，经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。该方法制得的镀钨金刚石表面含有为WC与W，镀层均匀，综合力学性能好，与金属粉末烧结后结合力强，适用于制备各种金刚石切削、磨削工具。
Description
技术领域
本发明涉及一种金刚石熔盐镀钨的方法，该工艺成本较低，操作方便；制备的镀钨金刚石表面含有为WC与W，镀层均匀，综合力学性能好，与金属粉末烧结后结合力强，适用于制备各种金刚石切削、磨削工具。
背景技术
金刚石是由碳原子组成的一种晶体，属于四面体组成的面心立方结构，每个四面体中心与顶角的碳原子以共价键紧密连接，这使得金刚石具有很高的硬度，除此之外，金刚石还有抗腐蚀，耐磨性高，化学性质稳定，导热性好等优点。随着现代工业和科学技术的不断发展，金刚石工具已经成为工业生产中的必需品，对工业的发展起到重要作用。
金刚石由于具有优异的力学性能，广泛应用于制造各种金刚石耐磨、切削工具当中，如珩磨油石、锯片等。在制造各种工具时，金刚石一般以颗粒的形式镶嵌于各种基体当中，工作时正是金刚石颗粒起到磨削或切削的作用。但因为金刚石的化学性质稳定，所以在烧结各种金刚石工具时，金刚石与基体无化学键的产生，而只靠物理作用结合，这使得结合力较弱，工作时，金刚石易发生脱落，从而使得工具丧失切削或磨削性能。
为了解决上述问题，可以采取以下两种方式：(1)向结合剂中添加碳化物形成元素，可以在烧结时与金刚石发生反应；(2)在金刚石颗粒表面镀覆一层金属。方法(1)中，结合剂中的碳化物元素过于稀少，而且烧结温度可能低于碳化物元素与金刚石反应的温度，所以一般采用方法(2)，在金刚石表面镀覆金属，一方面镀层均匀，减少漏镀的现象，可以使得金刚石与基体更好的结合；另一方面金刚石表面有一层镀层存在，可以起到保护的作用，减少在烧结时金刚石发生的碳化现象。
根据资料检索，现有的方法中一般有对金刚石表面镀覆一层可形成碳化物的金属元素，镀覆完成后的界面为金刚石-碳化物-金属，镀覆的金属元素有Ti、Mo、Cr、Ni、W等。如中国专利201310241082.4“一种在金刚石颗粒表面包覆TiC层的方法”介绍了一种真空蒸发镀钛的方法；而中国专利201210553393.X“一种特种金刚石工具刀头配方及制备方法”则是采用化合反应镀钛；中国专利201310578977.7“一种高导热金刚石/铜复合材料及其制备方法”利用磁控溅射镀钛或铬；中国专利201110194213.9“一种高体积分数金刚石/铝导热功能复合材料的制备方法”采用盐浴镀钛镀铬；中国专利201010562541.5“一种制备高体积分数金刚石增强铜基复合材料的方法”利用真空蒸镀方法镀铬；而中国专201510118258.6“一种金刚石粒子表面化学镀Ni-P合金的方法”则是使用化学镀方法镀镍；中国专利201510037123.7“对金刚石表面镀Mo及金刚石/Cu复合材料的制备方法”是利用扩散法镀钼；中国专利200410096800.4“一种金刚石表面镀钛镀镍镀铜复合结构及制造方法”是真空蒸镀、电镀、化学镀同时使用。
以上镀覆金属的实例，其中Cr、Ni若在无压烧结的情况下可能会使得金刚石发生大量碳化的现象，而镀Ti的成本较高，所以一般选取适应性较广的W，镀W会在金刚石表面形成WC或W2C镀层，达到保护金刚石颗粒，增强结合力的效果。
根据资料检索，现有的镀钨方法中，中国专利ZL201310322141.0“一种金刚石表面镀钨的方法”和文献“汤小文,刘清友.金刚石的盐浴镀钨,西南石油学院学报,1998,20(4):63-65.”为采用钨粉为钨源利用盐浴法在真空炉或电阻炉中对金刚石表面镀钨，与本申请相比，由于反应过程中钨原子的洁净度差使得其镀钨前处理过程更复杂，钨源成本也更高；如中国专利201510115052.8“一种新型高导热铜基复合材料制备方法”和文献“李宾华,张迎九.金刚石表面扩散镀钨的研究,金刚石与磨料磨具工程,2015,35(1):17-20”为采用W或WO3粉与金刚石直接混合在管式炉中加热扩散镀钨；如中国专利ZL200610156074.X“金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀钨、铬、钼的方法及设备”和“Neubauer E,Kladler G,Eisenmenger-Sittner C，et al.Interface Design in Copper-Diamond composite byusing PVD and CVD coated diamonds.Advanced Materials Research,2009,59:214-219”为采用化学或物理气相沉积工艺在金刚石颗粒表面形成镀钨层；如中国专利201510643288.9“一种应用于石材切割刀具的新型金刚石镀覆工艺”为采用水热合成工艺在金刚石颗粒形成含镀钨层，如文献“Tan ZQ,Li ZJ,Fan GL,et al.Enhanced thermalconductivity in diamond/aluminum composites with a tungsten interfacenanolayer.Materials&Design,2013,47:160-166.”和文献“程少辉，金刚石表面金属化处理,2014，郑州大学硕士学位论文”采用溶胶凝胶法在金刚石颗粒表面形成镀钨层。
以上在金刚石表面镀其他金属的方法中，存在着界面结合力较弱，镀层后金刚石容易发生大量的碳化等问题；在表面镀钨的方法中，存在或者是钨原子洁净度较差、或者是工艺过程繁琐且工艺成本较高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种金刚石熔盐镀钨的方法，该方法操作简单，成本较低，效率高，适合大规模生产，制备的镀钨金刚石力学性能较好，适用于制造各种金刚石刀具、磨具等。
本发明利用的原理是金刚石在高温下还原三氧化钨，在表面生成碳化物和单质钨层，而三氧化钨由含钨铵盐(钨酸铵、仲钨酸铵或偏钨酸铵)在高温下分解原位形成；与直接加入三氧化钨相比，含钨铵盐在高温下分解所得到的三氧化钨活性更高，反应更加容易进行，且反应生成的镀层更加均匀，综合性能更好。
为了实现上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现，一种金刚石熔盐镀钨的方法，该方法由如下步骤组成：
(1)将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥。
(2)按比例称取金刚石、含钨铵盐和熔盐用盐，将各粉末混合置于球磨罐中，干混球磨。
(3)将球磨好的粉末放入氧化铝坩埚内进行高温处理，在流动氩气或者真空环境下处理，保温一段时间，然后随炉冷却。
(4)将高温处理后的粉末研磨，再经超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
上述的一种金刚石熔盐镀钨的方法，所述的超声清洗金刚石时，丙酮和酒精超声清洗的时间均为5-15min。
上述的一种金刚石熔盐镀钨的方法，所述的金刚石颗粒，粒度为10-120μm。
上述的一种金刚石熔盐镀钨的方法，所述的含钨铵盐，包含钨酸铵、仲钨酸铵和偏钨酸铵中的一种或几种，纯度为质量百分数99.5％以上。
上述的一种金刚石熔盐镀钨的方法，所述的熔盐用盐，其成分为氯化钠、氯化钾、氯化钡、碳酸钠、硫酸钠中的两种或两种以上。
上述的一种金刚石熔盐镀钨的方法，所述的混合比例为金刚石、钨源(以钨原子摩尔数计算)、盐以10-20：1：10-20的摩尔比混合。
上述的一种金刚石熔盐镀钨的方法，所述的干混球磨，球磨介质为玛瑙球，球磨转速为100r/min，球磨时间为24-72h。
上述的一种金刚石熔盐镀钨的方法，所述的高温处理，升温速率为5-20℃/min，温度为900-1200℃，保温时间为0.5-4h。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)与直接加入钨粉或三氧化钨相比，含钨铵盐(钨酸铵、仲钨酸铵或偏钨酸铵)在高温下分解所得到的三氧化钨活性更高，反应更加容易进行，且反应生成的镀层更加均匀，综合性能更好。(2)与钨粉作为钨源利用盐浴法对金刚石表面镀钨工艺相比，本发明反应过程中钨原子的洁净度更高，且镀钨前处理过程简单，钨源成本也低；(3)本发明操作简单，成本较低，镀钨效果高，适合大规模生产。
附图说明
图1为经过熔盐镀钨处理的金刚石颗粒。
图2为熔盐镀钨金刚石颗粒表面能谱分析。
图3为不同处理工艺下的熔盐镀钨金刚石的X射线衍射分析。
具体实施方式
下面结合具体事例对本发明做进一步阐述本发明大致包括以下步骤：
(1)将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为5-15min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为10-120μm。
(2)将金刚石、含钨铵盐(市售钨酸铵、仲钨酸铵、偏钨酸铵)中的一种或几种，化学纯或分析纯)、熔盐用盐(市售氯化钠、氯化钾、氯化钡、碳酸钠、硫酸钠中的两种或三种，化学纯或分析纯)以10-20：1：10-20的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨24-72h。
(3)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到900-1200℃，升温速率为5-20℃/min，保温0.5-4h，然后随炉冷却。
(4)将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
实施实例1
(1)将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为15min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为100μm。
(2)将金刚石、市售化学纯钨酸铵(以钨原子摩尔数计算)、市售化学纯氯化钠、氯化钾盐(氯化钠：氯化钾＝1:1，摩尔比)以20：1：20的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h。
(3)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中加热到1200℃，在1000℃温度以下升温速率为20℃/min，在1000-1200℃升温速率为5℃/min，保温0.5h，然后随炉冷却。
(4)将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石(如图1)，从图1中可以看出，在经过镀覆后金刚石表面明显镀覆上了一层膜状物，金刚石棱角十分清晰保持了较为完整的晶形，基本保持了金刚石最初的形态，没有漏镀现象。经对膜状物进行能谱分析(图2)，表明镀膜层含W和C两种元素，结合在不同保温时间下的镀钨金刚石的X射线衍射分析(图3),表明该膜状物为W和WC的复合层。
实施实例2
(1)将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为5min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为120μm。
(2)将金刚石、市售分析纯偏钨酸铵(以钨原子摩尔数计算)、市售化学纯氯化钠、氯化钾、氯化钡盐(氯化钠、氯化钾、氯化钡＝1:1:1，摩尔比)以10：1：10的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨24h。
(3)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到900℃，在700℃温度以下升温速率为20℃/min，在700-900℃升温速率为5℃/min，保温4h，然后随炉冷却。
(4)将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
实施实例3
(1)将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为10min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为10μm。
(2)将金刚石、市售分析纯仲钨酸铵(以钨原子摩尔数计算)、市售化学纯氯化钠、碳酸钠和硫酸钠(氯化钠：碳酸钠：硫酸钠＝1:1:1，摩尔比)以15：1：10的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨72h。
(3)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1000℃，在800℃温度以下升温速率为20℃/min，在800-1000℃升温速率为5℃/min，保温2h，然后随炉冷却。
(4)将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
实施实例4
(1)将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为8min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为15μm。
(2)将金刚石、市售化学纯钨酸铵和偏钨酸铵(可以以任意比混合，本实施例为1：1)、市售化学纯氯化钠、碳酸钠、硫酸钠(氯化钠：碳酸钠：硫酸钠＝1:1:1，摩尔比)以10：1：15的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h。
(3)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1100℃，在900℃温度以下升温速率为20℃/min，在900-1000℃升温速率为5℃/min，保温2h，然后随炉冷却。
(4)将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
实施实例5
(1)将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为10min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为15μm。
(2)将金刚石、市售化学纯钨酸铵、偏钨酸铵和仲钨酸铵(可以以任意比混合，本实施例为1：1)、市售化学纯氯化钠、氯化钾、硫酸钠(氯化钠：氯化钾：硫酸钠＝1:1:1，摩尔比)以15：1：15的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h。
(3)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1050℃，在900℃温度以下升温速率为20℃/min，在900-1050℃升温速率为5℃/min，，保温3h，然后随炉冷却。
(4)将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
实施实例6
(1)将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为12min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为120μm。
(2)将金刚石、市售化学纯钨酸铵、偏钨酸铵(钨酸铵：偏钨酸铵＝1:1，摩尔比)(以钨原子摩尔数计算)、市售化学纯氯化钠、硫酸钠(氯化钠：硫酸钠＝1:1，摩尔比)以15：1：15的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h；
(3)将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1100℃，在900℃温度以下升温速率为20℃/min，在900-1100℃升温速率为5℃/min，保温2h，然后随炉冷却；
(4)将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (1)
1.一种金刚石熔盐镀钨的方法，其特征在于按照如下步骤进行：
（1）将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为15min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为100μm；
（2）将金刚石，以钨原子摩尔数计算的市售化学纯钨酸铵，熔盐用盐市售化学纯氯化钠和氯化钾盐以20：1：20的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h；氯化钠：氯化钾=1:1，摩尔比；
（3）将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中加热到1200℃，在1000℃温度以下升温速率为20℃/min，在1000‒1200℃升温速率为5℃/min，保温0.5h，然后随炉冷却；
（4）将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石；
或
（1）将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为5min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为120μm；
（2）将金刚石，以钨原子摩尔数计算的市售分析纯偏钨酸铵，熔盐用盐市售化学纯氯化钠、氯化钾和氯化钡盐以10：1：10的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨24h；氯化钠、氯化钾、氯化钡=1:1:1，摩尔比；
（3）将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到900℃，在700℃温度以下升温速率为20℃/min，在700‒900℃升温速率为5℃/min，保温4h，然后随炉冷却；
（4）将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石；
或
（1）将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为10min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为10μm；
（2）将金刚石，以钨原子摩尔数计算的市售分析纯仲钨酸铵，熔盐用盐市售化学纯氯化钠、碳酸钠和硫酸钠以15：1：10的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨72h；氯化钠：碳酸钠：硫酸钠=1:1:1，摩尔比；
（3）将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1000℃，在800℃温度以下升温速率为20℃/min，在800‒1000℃升温速率为5℃/min，保温2h，然后随炉冷却；
（4）将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石；
或
（1）将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为8min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为15μm；
（2）将金刚石，市售化学纯钨酸铵和偏钨酸铵，熔盐用盐市售化学纯氯化钠、碳酸钠和硫酸钠以10：1：15的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h；纯钨酸铵和偏钨酸铵的比例为1：1；氯化钠：碳酸钠：硫酸钠=1:1:1，摩尔比；
（3）将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1100℃，在900℃温度以下升温速率为20℃/min，在900‒1000℃升温速率为5℃/min，保温2h，然后随炉冷却；
（4）将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石；
或
（1）将金刚石颗粒置于丙酮中，超声清洗，然后再用酒精超声清洗并干燥，每次清洗时间为12min；其中金刚石颗粒为市售，粒度为120μm；
（2）将金刚石，以钨原子摩尔数计算的市售化学纯钨酸铵和偏钨酸铵，熔盐用盐市售化学纯氯化钠和硫酸钠以15：1：15的摩尔比混合，然后置于球磨罐内进行滚筒球磨48h；钨酸铵：偏钨酸铵=1:1，摩尔比；氯化钠：硫酸钠=1:1，摩尔比；
（3）将球磨好的混合粉末取出，置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛中或真空下加热到1100℃，在900℃温度以下升温速率为20℃/min，在900‒1100℃升温速率为5℃/min，保温2h，然后随炉冷却；
（4）将高温处理后坩埚中的上面产物取出研磨，并经多次超声波振动和蒸馏水煮沸以去除盐，即得到镀钨金刚石。
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