CN109082552A - 高硬度pcd复合片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高硬度PCD复合片及其制备方法，该制备方法包括：1）将纳米二氧化硅、盐酸分散于醇的水溶液中，接着加入钠盐、铝盐、硼酸、锆盐、钇盐、镍盐、钛酸四丁酯混合，然后滴加碱液并搅拌，最后陈化、干燥以得到干凝胶；2）将干凝胶进行热处理以得到热处理产物；3）将热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉进行球磨以得到结合剂；4）将金刚石粉末、结合剂在1600‑1800℃、2×1011Pa‑10×1011Pa下烧结以制得所述高硬度PCD复合片。该PCD复合片具有优异的硬度，同时该制备方法具有工序简单和操作简便的优点。

Description

高硬度PCD复合片及其制备方法
技术领域
本发明涉及PCD刀具，具体地，涉及一种高硬度PCD复合片及其制备方。
背景技术
金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。刀具发展历程，从十九世纪末到二十世纪期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表时期。二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵问题，使金刚石刀具应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。
金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可高速切削获得很高加工精度加工效率。金刚石刀具上述特性由金刚石晶体状态决定。金刚石晶体，碳原子四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构结合力方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石PCD结构取向不一细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。
发明内容
本发明的目的是提供一种高硬度PCD复合片及其制备方法，该PCD复合片具有优异的硬度，同时该制备方法具有工序简单和操作简便的优点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高硬度PCD复合片的制备方法，包括：
1）将纳米二氧化硅、盐酸分散于醇的水溶液中，接着加入钠盐、铝盐、硼酸、锆盐、钇盐、镍盐、钛酸四丁酯混合，然后滴加碱液并搅拌，最后陈化、干燥以得到干凝胶；
2）将干凝胶进行热处理以得到热处理产物；
3）将热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉进行球磨以得到结合剂；
4）将金刚石粉末、结合剂在1600-1800℃、2×1011Pa-10×1011Pa下烧结以制得所述高硬度PCD复合片。
本发明还提供了一种高硬度PCD复合片，该高硬度PCD复合片通过上述的制备方法制备而得。
在上述技术方案，本发明首先通过溶胶-凝胶法制得干凝胶，接着通过热处理使得干凝胶分解成由多种氧化物组成的复合体，最后通过热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉进行组合形成结合剂，最后将结合剂、金刚石粉末煅烧制得高硬度PCD复合片；该结合剂能够使得制得的PCD复合片具有优异的硬度，同时该制备方法具有工序简单和操作简便的优点。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种高硬度PCD复合片的制备方法，包括：
1）将纳米二氧化硅、盐酸分散于醇的水溶液中，接着加入钠盐、铝盐、硼酸、锆盐、钇盐、镍盐、钛酸四丁酯混合，然后滴加碱液并搅拌，最后陈化、干燥以得到干凝胶；
2）将干凝胶进行热处理以得到热处理产物；
3）将热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉进行球磨以得到结合剂；
4）将金刚石粉末、结合剂在1600-1800℃、2×1011Pa-10×1011Pa下烧结以制得所述高硬度PCD复合片。
在本发明的步骤1）中，各物料的用量可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤1）中，纳米二氧化硅、钠盐、铝盐、硼酸、锆盐、钇盐、镍盐、钛酸四丁酯的摩尔比为1：0.4-0.6：0.7-0.9：0.2-0.4：0.05-0.15：0.08-0.12：0.1-0.3：0.25-0.35。
在本发明的步骤1）中，盐酸、醇的水溶液、碱液的用量可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤1）中，纳米二氧化硅、盐酸、醇的水溶液、碱液的用量比为1mmol：2-3mL：5-10mL：4-6mL，且醇的水溶液中醇的体积分数为30-40%，盐酸的pH为4-5，碱液的pH为11-13。
在本发明的步骤1）中，各物料的种类可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤1）中，醇的水溶液的醇选自乙醇、甲醇、丙醇和异丙醇中的至少一者；碱液选自氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液中的至少一者；钠盐选自氯化钠、硫酸钠、硝酸钠中的至少一者；铝盐选自硝酸铝、氯化铝、醋酸铝中的至少一者；锆盐选自硝酸锆、柠檬酸锆盐中的至少一者；钇盐选自硝酸钇、三(硫酸乙基)钇盐、三氟甲烷磺酸钇中的至少一者；镍盐选自硝酸镍、硫酸镍、氯化镍中的至少一者。
在本发明的步骤1）中，陈化的条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤1）中，陈化满足以下条件：陈化温度为25-35℃，陈化时间为18-24h。
在本发明的步骤1）中，干燥的条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度优选地，在步骤1）中，干燥满足以下条件：干燥温度为100-110℃，干燥时间为2-4h。
在本发明的步骤1）中，混合的时间可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤1）中，混合的时间为15-20min。
在本发明的步骤2）中，热处理的条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤2）中，热处理满足以下条件：处理温度为510-530℃，处理时间为6-10h。
在本发明的步骤3）中，各物料的用量可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤3）中，热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉的重量比为10：1-3：0.8-1.3：2.1-2.6：1.2-1.6。
在本发明的步骤3）中，球磨的条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤3）中，球磨满足以下条件：磨球与物料的质量比为20：0.8-1.2，转速为1600-1800rpm，球磨时间为40-60min。
在本发明的步骤4）中，煅烧的时间可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤4）中，煅烧的时间为12-15h；
在本发明的步骤4）中，金刚石粉末的粒度可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的PCD复合片的硬度，优选地，在步骤4）中，金刚石粉末的粒度为2-4μm。
本发明还提供了一种高硬度PCD复合片，该高硬度PCD复合片通过上述的制备方法制备而得。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
1）将纳米二氧化硅、盐酸分散于醇（乙醇）的水溶液中，接着加入钠盐（氯化钠）、铝盐（硝酸铝）、硼酸、锆盐（硝酸锆）、钇盐（硝酸钇）、镍盐（硝酸镍）、钛酸四丁酯混合18min，然后滴加碱液（氢氧化钾水溶液）并搅拌18min，最后陈化（陈化温度为30℃，陈化时间为20h）、干燥（干燥温度为105℃，干燥时间为3h）以得到干凝胶；其中，纳米二氧化硅、钠盐、铝盐、硼酸、锆盐、钇盐、镍盐、钛酸四丁酯的摩尔比为1：0.5：0.8：0.3：0.1：0.1：0.2：0.30；纳米二氧化硅、盐酸、醇的水溶液、碱液的用量比为1mmol：2.5mL：8mL：5mL，且所述醇的水溶液中醇的体积分数为35%，所述盐酸的pH为4.5，所述碱液的pH为12；
2）将干凝胶进行热处理（处理温度为520℃，处理时间为8h）以得到热处理产物；
3）将热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉按照10：2：1：2.3：1.4的重量比行球磨（磨球与物料的质量比为20：1，转速为1700rpm，球磨时间为50min）以得到结合剂A1。
实施例2
1）将纳米二氧化硅、盐酸分散于醇（丙醇）的水溶液中，接着加入钠盐（硫酸钠）、铝盐（氯化铝）、硼酸、锆盐（柠檬酸锆盐）、钇盐（三(硫酸乙基)钇盐）、镍盐（硫酸镍）、钛酸四丁酯混合15min，然后滴加碱液（氢氧化钠水溶液）并搅拌15min，最后陈化（陈化温度为25℃，陈化时间为24h）、干燥（干燥温度为100℃，干燥时间为4h）以得到干凝胶；其中，纳米二氧化硅、钠盐、铝盐、硼酸、锆盐、钇盐、镍盐、钛酸四丁酯的摩尔比为1：0.4：0.7：0.2：0.05：0.08：0.1：0.25；纳米二氧化硅、盐酸、醇的水溶液、碱液的用量比为1mmol：2mL：5mL：4mL，且所述醇的水溶液中醇的体积分数为30%，所述盐酸的pH为4，所述碱液的pH为11；
2）将干凝胶进行热处理（处理温度为510℃，处理时间为10h）以得到热处理产物；
3）将热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉按照10：1：0.8：2.1：1.2的重量比行球磨（磨球与物料的质量比为20：0.8，转速为1600rpm，球磨时间为60min）以得到结合剂A2。
实施例3
1）将纳米二氧化硅、盐酸分散于醇（异丙醇）的水溶液中，接着加入钠盐（硝酸钠）、铝盐（醋酸铝）、硼酸、锆盐（柠檬酸锆盐）、钇盐（三氟甲烷磺酸钇）、镍盐（氯化镍）、钛酸四丁酯混合20min，然后滴加碱液（氢氧化钠水溶液）并搅拌20min，最后陈化（陈化温度为35℃，陈化时间为18h）、干燥（干燥温度为110℃，干燥时间为2h）以得到干凝胶；其中，纳米二氧化硅、钠盐、铝盐、硼酸、锆盐、钇盐、镍盐、钛酸四丁酯的摩尔比为1：0.6：0.9：0.4：0.15：0.12：0.3：0.35；纳米二氧化硅、盐酸、醇的水溶液、碱液的用量比为1mmol：3mL：10mL：6mL，且所述醇的水溶液中醇的体积分数为40%，所述盐酸的pH为5，所述碱液的pH为13；
2）将干凝胶进行热处理（处理温度为530℃，处理时间为6h）以得到热处理产物；
3）将热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉按照10：3：1.3：2.6：1.6的重量比行球磨（磨球与物料的质量比为20：1.2，转速为1800rpm，球磨时间为40min）以得到结合剂A3。
应用例1
将粒度为2μm金刚石粉末、上述结合剂按照1：5的重量比在1700℃、6×1011Pa下烧结13h以制得高硬度PCD复合片，然后检测PCD复合片的硬度，结果如表1所示。
表1
结合剂 A1 A2 A3
硬度/HV 8657 8669 8642
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种高硬度PCD复合片的制备方法，其特征在于，包括：
1）将纳米二氧化硅、盐酸分散于醇的水溶液中，接着加入钠盐、铝盐、硼酸、锆盐、钇盐、镍盐、钛酸四丁酯混合，然后滴加碱液并搅拌，最后陈化、干燥以得到干凝胶；
2）将所述干凝胶进行热处理以得到热处理产物；
3）将所述热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉进行球磨以得到结合剂；
4）将金刚石粉末、结合剂在1600-1800℃、2×1011Pa-10×1011Pa下烧结以制得所述高硬度PCD复合片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1）中，所述纳米二氧化硅、钠盐、铝盐、硼酸、锆盐、钇盐、镍盐、钛酸四丁酯的摩尔比为1：0.4-0.6：0.7-0.9：0.2-0.4：0.05-0.15：0.08-0.12：0.1-0.3：0.25-0.35。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1）中，所述纳米二氧化硅、盐酸、醇的水溶液、碱液的用量比为1mmol：2-3mL：5-10mL：4-6mL，且所述醇的水溶液中醇的体积分数为30-40%，所述盐酸的pH为4-5，所述碱液的pH为11-13；
优选地，在步骤1）中，所述醇的水溶液的醇选自乙醇、甲醇、丙醇和异丙醇中的至少一者；所述碱液选自氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液中的至少一者；所述钠盐选自氯化钠、硫酸钠、硝酸钠中的至少一者；所述铝盐选自硝酸铝、氯化铝、醋酸铝中的至少一者；所述锆盐选自硝酸锆、柠檬酸锆盐中的至少一者；所述钇盐选自硝酸钇、三(硫酸乙基)钇盐、三氟甲烷磺酸钇中的至少一者；所述镍盐选自硝酸镍、硫酸镍、氯化镍中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1）中，所述陈化满足以下条件：陈化温度为25-35℃，陈化时间为18-24h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1）中，所述干燥满足以下条件：干燥温度为100-110℃，干燥时间为2-4h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1）中，所述混合的时间为15-20min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤2）中，所述热处理满足以下条件：处理温度为510-530℃，处理时间为6-10h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤3）中，所述热处理产物、锌粉、钴粉、锡粉和钡粉的重量比为10：1-3：0.8-1.3：2.1-2.6：1.2-1.6。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤3）中，所述球磨满足以下条件：磨球与物料的质量比为20：0.8-1.2，转速为1600-1800rpm，球磨时间为40-60min；
优选地，在步骤4）中，所述煅烧的时间为12-15h；
更优选地，在步骤4）中，所述金刚石粉末的粒度为2-4μm。
10.一种高硬度PCD复合片，其特征在于，所述高硬度PCD复合片通过权利要求1-9中任意一项所述的制备方法制备而得。
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