CN107030289B - 一种石墨烯增强的超硬刀具 - Google Patents

一种石墨烯增强的超硬刀具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯增强的超硬刀具，该超硬刀具包括刀体和刀刃两部分，刀体部分采用聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂经高温高压烧结而成；刀刃部分采用石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂经高温高压烧结而成。本发明的超硬刀具刀体与刀刃部分基本组成一致，烧结后刀体与刀刃可成为一体，有效提高刀刃部分的强度、耐磨性及耐高温性能，有效延长超硬刀具的使用寿命。

Description

一种石墨烯增强的超硬刀具
技术领域
本发明涉及一种石墨烯增强的超硬刀具，具体涉及一种石墨烯增强的超硬刀具的制备方法。
背景技术
石墨烯是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，比钻石还坚硬。目前超硬刀具一般由聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼粉末加工而成或在硬质合金刀刃部分涂覆超硬涂层，但以上刀具寿命仍达不到理想要求，尤其是超硬涂层寿命更短且易脱落。因此耐磨、耐高温长寿命的超硬刀具仍需要人们去研制。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种石墨烯增强的超硬刀具，石墨烯是目前最坚硬的材料，在超硬粉体中加入石墨烯烧结成型后可有效提升刀具的强度。
一种石墨烯增强的超硬刀具，该超硬刀具包括刀体和刀刃两部分，刀体部分采用聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂经高温高压烧结而成；刀刃部分采用石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂经高温高压烧结而成。
所述刀体部分中各组分的质量份数为：聚晶金刚石0.5-8份，聚晶立方氮化硼9-1份，粘结剂0.5-1份。
所述刀刃部分中各组分的质量份数为：石墨烯0.1-7份、聚晶金刚石1-8份，聚晶立方氮化硼1-8份，粘结剂0.5-3份。
所述刀刃部分的石墨烯片径为0.1μm-50μm、厚度0.34nm-5nm。
所述刀体及刀刃部分中的粘结剂为钴、钼、钛、铁、铝、镍、铜、钨、铬单质及其氧化物、氮化物中的任意一种或几种。
该超硬刀具的制备方法为：将刀体及刀刃部分物料按配比配好后置入模具中压制成胚体，在惰性气体保护下，高温高压烧制而成。此方法制备的晶粒大小均匀，晶界严密闭合，石墨烯、金刚石与立方氮化硼晶界之间硼、碳、氮原子形成高原子密度、三维网状、强共价键的致密结构，石墨烯的引入使得刀刃部分强度远大于刀体部分。
所述刀体及刀刃胚体的压制压强为8-30GPa，压制时间5s-50min。
所述刀体及刀刃胚体的烧制压强为10-30GPa，温度为800-3000℃，时间30s-40min，惰性气体为N2、Ar中的一种。
一种石墨烯增强的超硬刀具，其加工方法如下：
步骤一：刀体部分物料准备
将刀体部分所需物料聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，其中聚晶金刚石0.5-8份，聚晶立方氮化硼9-1份，粘结剂0.5-1份。
步骤二：刀刃部分物料准备
将刀体部分所需物料石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，石墨烯0.1-7份、聚晶金刚石1-8份，聚晶立方氮化硼1-8份，粘结剂0.5-3份。
步骤三：超硬刀具胚体的压制
将步骤一及步骤二中混合好的粉体材料放入模具中刀体及刀刃对应的位置，在压力8-30GPa下压制时间5s-50min制成超硬刀具的胚体。
步骤四：超硬刀具胚体的烧制
将步骤三中的超硬刀具胚体置于高温高压容器中，在压强为10-30GPa，烧结温度为800-3000℃，烧结时间为30s～40min，惰性气体为N2或Ar保护下烧制即可制得石墨烯增强的超硬刀具。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：此方法制备的超硬刀具由于刀体与刀刃部分基本组成一致，烧结后刀体与刀刃可成为一体，本发明通过将世界上最坚硬的材料石墨烯加入至刀刃部分可有效提高刀刃部分的强度、耐磨性及耐高温性能，有效延长超硬刀具的使用寿命。
具体实施方式
使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1：
本发明提供的石墨烯增强的超硬刀具，其加工方法如下：
步骤一：刀体部分物料准备
将刀体部分所需物料聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，其中聚晶金刚石0.5份，聚晶立方氮化硼9份，粘结剂0.5份。
步骤二：刀刃部分物料准备
将刀体部分所需物料石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，石墨烯0.1份,聚晶金刚石1份，聚晶立方氮化硼6.9份，粘结剂2份。
步骤三：超硬刀具胚体的压制
将步骤一及步骤二中混合好的粉体材料放入模具中刀体及刀刃对应的位置，在压力8GPa下压制时间50min制成超硬刀具的胚体。
步骤四：超硬刀具胚体的烧制
将步骤三中的超硬刀具胚体置于高温高压容器中，在压强为10GPa，烧结温度为3000℃，烧结时间为40min，在惰性气体N2保护下烧制即可制得石墨烯增强的超硬刀具。
实施例2：
本发明提供的一种石墨烯增强的超硬刀具，其加工方法如下：
步骤一：刀体部分物料准备
将刀体部分所需物料聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，其中聚晶金刚石8份，聚晶立方氮化硼1份，粘结剂1份。
步骤二：刀刃部分物料准备
将刀体部分所需物料石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，石墨烯7份,聚晶金刚石1份，聚晶立方氮化硼1份，粘结剂1份。
步骤三：超硬刀具胚体的压制
将步骤一及步骤二中混合好的粉体材料放入模具中刀体及刀刃对应的位置，在压力30GPa下压制时间5s制成超硬刀具的胚体。
步骤四：超硬刀具胚体的烧制
将步骤三中的超硬刀具胚体置于高温高压容器中，在压强为30GPa，烧结温度为1000℃，烧结时间为20min，在惰性气体Ar保护下烧制即可制得石墨烯增强的超硬刀具。
实施例3：
本发明提供的一种石墨烯增强的超硬刀具，其加工方法如下：
步骤一：刀体部分物料准备
将刀体部分所需物料聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，其中聚晶金刚石5份，聚晶立方氮化硼4份，粘结剂1份。
步骤二：刀刃部分物料准备
将刀体部分所需物料石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，石墨烯2份,聚晶金刚石3份，聚晶立方氮化硼3份，粘结剂2份。
步骤三：超硬刀具胚体的压制
将步骤一及步骤二中混合好的粉体材料放入模具中刀体及刀刃对应的位置，在压力20GPa下压制时间30min制成超硬刀具的胚体。
步骤四：超硬刀具胚体的烧制
将步骤三中的超硬刀具胚体置于高温高压容器中，在压强为25GPa，烧结温度为2000℃，烧结时间为20min，惰性气体为N2保护下烧制即可制得石墨烯增强的超硬刀具。
对比例1
步骤一：刀体部分物料准备
将刀体部分所需物料聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，其中聚晶金刚石8份，聚晶立方氮化硼1份，粘结剂1份。
步骤二：刀刃部分物料准备
将刀体部分所需物料石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，聚晶金刚石5份，聚晶立方氮化硼3份，粘结剂2份。
步骤三：超硬刀具胚体的压制
将步骤一及步骤二中混合好的粉体材料放入模具中刀体及刀刃对应的位置，在压力30GPa下压制时间5s制成超硬刀具的胚体。
步骤四：超硬刀具胚体的烧制
将步骤三中的超硬刀具胚体置于高温高压容器中，在压强为30GPa，烧结温度为1000℃，烧结时间为20min，在惰性气体Ar保护下烧制即可制得石墨烯增强的超硬刀具。
对比例2
步骤一：刀具胚体制备
将硬质合金切割打磨成刀具形状，并对刀刃部分进行开刃处理。
步骤二：刀刃部分涂层处理
将立方氮化硼单晶体通过焊接工艺固定在刀刃部分，形成均一涂层，制备成带有超硬涂层的超硬刀具。
对比例3
步骤一：刀体部分制备
将陶瓷材料Al2O3添加至模具内加工成刀体。
步骤二：刀刃部分物料准备
将刀体部分所需物料石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，石墨烯2份,聚晶金刚石3份，聚晶立方氮化硼3份，粘结剂2份。
步骤三：刀具胚体压制
将步骤一及步骤二中混合好的粉体材料放入模具中刀体及刀刃对应的位置，在压力20GPa下压制时间30min制成超硬刀具的胚体。
步骤四：刀具的烧制
将步骤三中的超硬刀具胚体置于高温高压容器中，在压强为25GPa，烧结温度为2000℃，烧结时间为20min，在惰性气体Ar保护下烧制即可制得超硬刀具。
对比例4
步骤一：刀体部分物料准备
将刀体部分所需物料聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，其中聚晶金刚石0.5份，聚晶立方氮化硼9份，粘结剂0.5份。
步骤二：刀刃部分准备
将Al2O3这种陶瓷材料在模具内加工成刀刃部分。
步骤三：
将步骤一及步骤二中混合好的粉体材料放入模具中刀体及刀刃对应的位置，在压力8GPa下压制时间50min制成超硬刀具的胚体。
步骤四：刀具的烧制
将步骤三中的超硬刀具胚体置于高温高压容器中，在压强为10GPa，烧结温度为3000℃，烧结时间为40min，在惰性气体N2保护下烧制即可制得石墨烯增强的超硬刀具。
刀具加工成型后对其硬度进行检测，本发明实施例1-3和对比例的工艺参数及其产品性能检测数据对比结果如表1所示。
表1实施例与对比例性能对比
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种石墨烯增强的超硬刀具，其特征在于：该超硬刀具包括刀体和刀刃两部分，刀体部分采用聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂经高温高压烧结而成； 刀刃部分采用石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂经高温高压烧结而成，所述刀体部分中各组分的质量份数为：聚晶金刚石0.5-8份，聚晶立方氮化硼9-1份，粘结剂 0.5-1份，所述刀刃部分中各组分的质量份数为：石墨烯 0.1-7 份、聚晶金刚石1-8份，聚晶立方氮化硼1-8份，粘结剂0.5-3份，所述刀刃部分的石墨烯片径为0.1μm-50μm、厚度 0.34nm-5nm。
2.根据权利要求 1 所述的一种石墨烯增强的超硬刀具，其特征在于：所述刀体及刀刃部分中的粘结剂为钴、钼、钛、铁、铝、镍、铜、钨、铬单质及其氧化物、氮化物中的任意一种或几种。
3.根据权利要求 1 所述的一种石墨烯增强的超硬刀具，其特征在于：该超硬刀具的制备方法为：将刀体及刀刃部分物料按配比配好后置入模具中压制成胚体，在惰性气体保护下，高温高压烧制而成。
4.根据权利要求 3所述的一种石墨烯增强的超硬刀具，其特征在于：所述刀体及刀刃胚体的压制压强为 8-30GPa，压制时间 5s-50min。
5.根据权利要求 3所述的一种石墨烯增强的超硬刀具，其特征在于：所述刀体及刀刃胚体的烧制压强为10-30 GPa，温度为800-3000℃，时间30s-40min，惰性气体为 N2、Ar 中的一种。
6.加工如权利要求 1-5任一所述超硬刀具的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：刀体部分物料准备
将刀体部分所需物料聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，其中聚晶金刚石 0.5-8份，聚晶立方氮化硼 9-1 份，粘结剂 0.5-1 份；
步骤二：刀刃部分物料准备
将刀体部分所需物料石墨烯、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、粘结剂粉体材料按比例混合均匀，混合方法为湿混或干混，石墨烯 0.1-7 份、聚晶金刚石 1-8 份，聚晶立方氮化硼1-8 份，粘结剂 0.5-3 份；
步骤三：超硬刀具胚体的压制
将步骤一及步骤二中混合好的粉体材料放入模具中刀体及刀刃对应的位置，在压力8-30GPa 下压制时间5s-50min制成超硬刀具的胚体；
步骤四：超硬刀具胚体的烧制
将步骤三中的超硬刀具胚体置于高温高压容器中，在压强为10-30GPa，烧结温度为800-3000℃，烧结时间为30s～40min，惰性气体为N2或Ar保护下烧制即可制得石墨烯增强的超硬刀具。
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