CN107670588A - 多晶金刚石、工具和多晶金刚石合成工艺 - Google Patents

多晶金刚石、工具和多晶金刚石合成工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多晶金刚石、工具和多晶金刚石合成工艺，多晶金刚石晶型宏观上为不规则片状结构，微观上密布孔隙和多角状颗粒；工具包括该多晶金刚石；多晶金刚石的合成工艺采用晶种法和静压触媒法，本发明的有益效果为：通过晶种法和短时间高温高压将石墨碳合成多晶金刚石，并且在加热过程中功率有个缓升，有助于提高产品的强度，使合成的多晶金刚石冲击韧性(TI)及热冲击韧性(TTI)达到单晶锯片级金刚石的80%以上。本申请的多晶金刚石强度高、磨削效率高、自锐性能好的特点。所制作的工具锋利度高，加工效率高。

Description

多晶金刚石、工具和多晶金刚石合成工艺
技术领域
本发明涉及超硬材料、合成技术及其应用领域，尤其涉及一种多晶金刚石、工具和多晶金刚石合成工艺。
背景技术
金刚石是硬度很高的超硬材料，主要用于制作各种金刚石工具，如磨削工具、拉丝模、切削刀具以及钻进工具等。世界上生产的金刚石主要以单晶为产品，获得了广泛的应用。人造和天然金刚石以单晶居多，晶体本身就是一个完整的大晶粒。单晶是具有完整晶体外形的单个颗粒，颗粒内部的晶格是周期排列，具有各向异性 ；多晶是一个颗粒里面有多个晶粒，每个晶粒的晶格都是周期性排列的，具有各向同性。多晶是众多取向晶粒的单晶的集合，晶体是由许许多多的小晶粒组成。
单晶金刚石的应用有一定的缺点 ：由于有解理面，在磨削过程中一段时间后刃面磨损后容易钝化 ；单晶容易整体从基体中拔出失去磨削效果，不能充分发挥金刚石的效用，导致加工成本升高。为了克服单晶金刚石的不足，人们开始主要通过电镀的方法在金刚石表面镀镍、镀铜或镀钛等。如中国专利 CN85100286B，及公开专利申请 CN102286742.A，公开了金刚石表面金属化的方法。金刚石表面经过金属化以后，能解决金刚石不能与一般低熔点合金粘结和浸润的困难，这对制备金属基体的金刚石工具是有利的。中国专利200410096957.7 还公开了一种金刚石表面涂覆玻璃涂覆金刚石镀钛复合结构及其方法，经过复合涂覆和金属镀处理的金刚石，体积增大，使得金刚石与基体的结合强度和把持力提高。但是这些方法制造工艺复杂，生产成本高，经过表面金属化的金刚石表面让然缺少活性基团，与陶瓷和树脂基体仍不能形成牢固的化学键结合，对提高金刚石工具的寿命和效果是有限的。
合成多晶金刚石是一项新技术，多晶金刚石磨粒由多个亚稳态金刚石微晶聚结而成团粒状颗粒，形状不如金刚石单晶规则，呈各种凸凹粗糙表面，磨削时在应力作用下，外部微晶粒逐层脱落的同时，露出新的锋利切削刃，而且磨削力小，被加工工件表面粗糙度低，多晶金刚石磨粒可以发挥充分效用，能解决单晶金刚石整体从基体中拔出、过早脱落的问题。中国专利 CN101884933B，及公开专利申请 CN102698758.A，公开了自锐性多晶金刚石合成用的触媒及其制备方法。中国公开专利申请 CN102941038.A 公开了一种高自锐性金刚石的合成工艺。
目前传统多晶金刚石配比设计均为NiMnCo触媒材料按一定比例与石墨混合后，冷压成棒，然后进行高温高压合成转换。所制造的多晶金刚石因表面粗糙度和锋利度要求的制约，其冲击韧性和强度都处于较低水平，这样会造成制作的金刚石砂轮锋利不耐磨；而提高强度后，其锋利度又受到影响，造成工具的耐磨不锋利。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的是要提供一种多晶金刚石、工具和多晶金刚石合成工艺。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种多晶金刚石，所述多晶金刚石晶型宏观上为不规则片状结构，微观上密布孔隙和多角状颗粒。
作为优选，所述孔隙直径为50-100nm。
一种工具，包括如权利要求1或2所述多晶金刚石。
一种多晶金刚石合成工艺，步骤如下：1）、将处理后的触媒与石墨碳粉均匀混合后制成合成棒；2）通过静压触媒法对合成棒进行高温高压合成；静压触媒法的合成压力通过压强时间曲线控制，加热功率通过功率时间曲线控制，所述处理后的触媒为NiMn合金，所述合成棒内含有触媒重量比30%-50%的金刚石微粉晶种；所述功率时间曲线中加热总时间为220s，其中前120s保持恒定加热功率，后100s加热功率逐渐提升10-15%。
优选的，所述金刚石微粉晶种的直径为50-100纳米。
优选的，所述静压触媒法中合成棒的加热方式为半直接半间接加热方式。
所述半直接半间接加热方式为：合成棒棒身由绝缘耐高温高压材料包裹后装入导电发热管中，合成棒的上、下两端与导电加热材料接触。
优选的，所述触媒的处理方法为：将NiMn合金在马弗炉中缓慢加热至400℃后，保温1小时，之后冷却至室温。
优选的，所述功率时间曲线为：合成开始60s后开始加热，加热功率为7.2-7.8Kw，保温120s；之后在100s内加热功率缓慢提升10-15%，然后停止加热。
优选的，所述压强时间曲线为：在0-63s内将压强从12Mpa提升至90Mpa,保压48s；之后在20s内将压强提升至97Mpa，保压210s；最后在130s内将压强降为0。
本发明的有益效果为：
本发明的多晶金刚石晶型宏观为不规则片状结构，其微观结构存在大量50-100nm的细孔及多角状颗粒。该多晶金刚石在磨削加工过程中，颗粒微观表面均为多角状结构，所制作的工具锋利度高，加工效率高。该多晶金刚石冲击韧性与正常多晶金刚石相比，高出120%（正常多晶金刚石为1000次，本发明金刚石为2200次），能达到高强度单晶金刚石的80%以上。
通过晶种法和短时间高温高压将石墨碳合成多晶金刚石，并且在加热过程中功率有个缓升，有助于提高产品的强度，使合成的多晶金刚石冲击韧性(TI)及热冲击韧性(TTI)达到单晶锯片级金刚石的80%以上。本申请的多晶金刚石强度高、磨削效率高、自锐性能好的特点。
附图说明
图1为本发明的压强功率时间曲线图。
图2为本发明的多晶金刚石光学显微镜下颗粒形状图。
图3为本发明的多晶金刚石颗粒表面电镜图。
具体实施方式
实施例1
如图2图3所示，一种多晶金刚石，该多晶金刚石晶型为不规则片状结构，其微观结构存在大量50-100nm的细孔和多角状颗粒。
实施例2
一种使用晶型为不规则片状结构的多晶金刚石的工具，，该工具锋利度高，加工效率高。
实施例3
如图1所示，一种多晶金刚石合成工艺，步骤如下：1）、将NiMn合金在马弗炉中缓慢加热至400℃后，保温1小时，之后冷却至室温；
2）、将NiMn合金与石墨碳粉均匀混合后制成合成棒；
3）、通过静压触媒法对合成棒进行高温高压合成；如图1所示，静压触媒法的合成压力通过压强时间曲线控制，加热功率通过功率时间曲线控制，所述合成棒内含有触媒重量比20%-25%的金刚石微粉晶种；所述功率时间曲线中加热总时间为220s，其中前120s保持恒定加热功率，后100s加热功率逐渐提升10-15%，该加热方法有利于提高生成的多晶金刚石的强度。如图2图3所示，本合成工艺合成的多晶金刚石晶型为不规则片状结构，其微观结构存在大量50-100nm的细孔和多角状颗粒。
实施例4
如图1所示，一种多晶金刚石合成工艺，步骤如下：1），将NiMn合金在马弗炉中缓慢加热至400℃后，保温1小时，之后冷却至室温；
2）、将处理后的NiMn合金与石墨碳粉均匀混合后制成合成棒；
3）通过静压触媒法对合成棒进行高温高压合成；如图1所示，静压触媒法的功率时间曲线为：合成开始60s后开始加热，加热功率为7.2-7.8Kw，保温120s；之后在100s内加热功率缓慢提升10-15%，然后停止加热；压强时间曲线为：在0-63s内将压强从12Mpa提升至90Mpa,保压48s；之后在20s内将压强提升至97Mpa，保压210s；最后在130s内将压强降为0。所述触媒为NiMn合金，所述合成棒内含有触媒重量比20%-25%的金刚石微粉晶种；所述功率时间曲线中加热总时间为220s，其中前120s保持恒定加热功率，后100s加热功率逐渐提升10-15%，该加热方法有利于提高生成的多晶金刚石的强度。
静压触媒法中合成棒的加热方式为半直接半间接加热方式，半直接半间接加热方式为：合成棒身由绝缘耐高温高压材料包裹后装入导电发热管中，合成棒的上、下两端与导电加热材料接触，有利于生成不规则片状结构的多晶金刚石晶型。
如图2图3所示，本合成工艺合成的多晶金刚石晶型为不规则片状结构，其微观结构存在大量50-100nm的细孔和多角状颗粒。
凡在不脱离本发明核心的情况下做出的简单的变形或修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多晶金刚石，其特征在于：所述多晶金刚石晶型宏观上为不规则片状结构，微观上密布孔隙和多角状颗粒。
2.根据权利要求1所述多晶金刚石，其特征在于：所述孔隙直径为50-100nm。
3.一种工具，其特征在于：包括如权利要求1或2所述多晶金刚石。
4.一种多晶金刚石合成工艺，步骤如下：1）、将处理后的触媒与石墨碳粉均匀混合后制成合成棒；2）通过静压触媒法对合成棒进行高温高压合成；静压触媒法的合成压力通过压强时间曲线控制，加热功率通过功率时间曲线控制，其特征在于：所述处理后的触媒为NiMn合金，所述合成棒内含有触媒重量比30%-50%的金刚石微粉晶种；所述功率时间曲线中加热总时间为220s，其中前120s保持恒定加热功率，后100s加热功率逐渐提升10-15%。
5.根据权利要求4所述多晶金刚石合成工艺，其特征在于：所述金刚石微粉晶种的直径为50-100纳米。
6.根据权利要求4或5所述的多晶金刚石合成工艺，其特征在于：所述静压触媒法中合成棒的加热方式为半直接半间接加热方式。
7.根据权利要求6所述的多晶金刚石合成工艺，其特征在于：所述半直接半间接加热方式为：合成棒棒身由绝缘耐高温高压材料包裹后装入导电发热管中，合成棒的上、下两端与导电加热材料接触。
8.根据权利要求4所述的多晶金刚石合成工艺，其特征在于：所述触媒的处理方法为：将NiMn合金在马弗炉中缓慢加热至400℃后，保温1小时，之后冷却至室温。
9.根据权利要求4所述的多晶金刚石合成工艺，其特征在于：所述功率时间曲线为：合成开始60s后开始加热，加热功率为7.2-7.8Kw，保温120s；之后在100s内加热功率缓慢提升10-15%，然后停止加热。
10.根据权利要求4所述的多晶金刚石合成工艺，其特征在于：所述压强时间曲线为：在0-63s内将压强从12Mpa提升至90Mpa,保压48s；之后在20s内将压强提升至97Mpa，保压210s；最后在130s内将压强降为0。
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