CN109778040A - 一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料及其制备方法，属于材料学领域，该金刚石复合材料由预合金基胎体粉末、氧化石墨烯和金刚石磨粒组成，预合金基胎体粉末由质量比为13：1：6的铁镍预合金粉、Mn锰粉和WC碳化钨粉组成；本发明使用铁镍预合金粉，较传统金属单质粉末烧结孕镶金刚石材料时烧结温度显著下降，有效避免了金刚石在烧结过程中的热损伤，提高了金刚石工具锋利度。采用静电自组的方法，氧化石墨烯被吸附在铁镍预合金粉表面，之后再实现其与锰粉、碳化钨粉及金刚石磨粒均匀混合，在热压烧结过程中氧化石墨烯被还原成石墨烯。将石墨烯加入到预合金基胎体粉末中，可以显著提高胎体材料的致密性、硬度、抗氧化性，改善其摩擦特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种孕镶金刚石复合材料及其制备方法，具体涉及一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料及其制备方法，属于材料学领域。
背景技术
孕镶金刚石钻头是孕镶金刚石复合材料的一种典型应用。它主要是通过多而小的硬质点(金刚石)对岩层进行磨削，被广泛用于坚硬、致密、研磨性较强的地层钻进。孕镶金刚石复合材料主要由胎体材料和金刚石组成，其性能决定着钻头的钻进效率和使用寿命。传统孕镶金刚石复合材料的胎体体系主要包括碳化钨基胎体、铁基胎体和低碳化钨—低粘型胎体三大类。由于其胎体中粘结剂为单质金属粉末和非金属粉末的混合物，烧结温度较高(如铁基钻头烧结温度通常为1100℃～1300℃)，金刚石会发生不同程度的石墨化，降低了金刚石复合材料的磨削性能。此外，在烧结过程中还极易发生组分偏析，烧结不充分的现象，导致综合力学性能较差，使得现有钻头存在钻进效率低、使用寿命短等问题。
发明内容
传统孕镶金刚石复合材料的胎体因存在综合力学性能差、金刚石在高烧结温度下发生热损伤等缺点，使得现有钻头存在钻进效率低、使用寿命短等问题，本发明的目的是提供一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将十六烷基三甲基溴化铵加入到蒸馏水中，超声分散，使十六烷基三甲基溴化铵溶解完全，得到十六烷基三甲基溴化铵水溶液；向十六烷基三甲基溴化铵水溶液中加入铁镍预合金粉，搅拌，使铁镍预合金粉与十六烷基三甲基溴化铵接触完全，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉，用蒸馏水对十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉进行漂洗，漂洗后将其加入蒸馏水中并搅拌，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉水分散液；
(2)称取质量为铁镍预合金粉质量0.01％～1％的氧化石墨烯，将其加入蒸馏水中，超声分散，实现氧化石墨烯的解团聚和在蒸馏水中的均匀分散，得到氧化石墨烯的水分散液；
(3)将步骤(2)中所述的氧化石墨烯的水分散液逐滴缓慢加入到步骤(1)中正在搅拌的十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉水分散液，在静电作用下，氧化石墨烯与十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉结合，氧化石墨烯分散在铁镍预合金粉中，搅拌，真空抽滤，真空干燥后获得氧化石墨烯/铁镍预合金粉复合粉末；
(4)称取Mn锰粉和WC碳化钨粉，Mn锰粉、WC碳化钨粉和铁镍预合金粉的质量比为1：6：13，将称取的Mn锰粉、WC碳化钨粉和步骤(3)中的氧化石墨烯/铁镍预合金粉复合粉末放入不锈钢磨罐中，再加入不锈钢研磨球，球料比为4:1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间2h～4h，转速300r/min，之后进行真空干燥，获得氧化石墨烯/预合金基胎体粉末；
(5)将步骤(4)中获得的氧化石墨烯/预合金基胎体粉末与金刚石磨粒按体积百分比为氧化石墨烯/预合金基胎体粉末70vol％～80vol％和金刚石磨粒20vol％～30vol％进行称量，放入三维混料机中混合，得到复合粉末；
(6)将步骤(5)中的复合粉末装入石墨模具中，使用热压烧结炉进行烧结，得到石墨烯增强预合金基金刚石复合材料。
其中，所述铁镍预合金粉平均粒径为10um，铁和镍的质量比3：1。
其中，所述氧化石墨烯厚度为0.6nm～1.0nm，片层大小为0.5um～5um，在400℃保温过程中，可以完成热还原，获得石墨烯。
其中，所述Mn锰粉的平均粒径为10um，WC碳化钨粉的平均粒径为20um。
其中，所述金刚石磨粒为40目～80目的人造金刚石单晶。
其中，所述步骤(5)中烧结工艺如下：首先在150s内将复合粉末温度提高到400℃，压力由0MPa提高到7.5MPa，保温200s；然后在150s内将温度提高到800℃，压力提高到15MPa，保持烧结温度为800℃，压力15MPa，保温时间200s；之后在300s内将温度降至450℃、压力降至5Mpa，最后撤去压力并自然冷却到室温。
一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料，其特征在于：通过上述方法制备得到。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料及其制备方法，铁Fe、镍Ni对金刚石有良好的浸润性，在烧结过程中可以实现对金刚石的良好包镶，但单质铁Fe、镍Ni烧结温度较高(1100℃～1300℃)，会对金刚石造成热侵蚀。而采用铁Fe、镍Ni预合金粉可以显著降低烧结温度(可以在750℃～900℃完成烧结)，获得的金刚石复合材料具有高的致密性、抗弯强度和对金刚石强的包镶能力。为了进一步提高孕镶金刚石复合材料的硬度和耐磨性，采用石墨烯(氧化石墨烯的热还原产物)作为增强体。采用静电自组的方法，利用氧化石墨烯表面含有大量含氧官能团，具有负电性，而十六烷基三甲基溴化铵CTAB修饰后的铁镍预合金粉带正电，在静电作用下，氧化石墨烯被吸附在铁镍预合金粉表面，之后再实现其与锰粉、碳化钨粉及金刚石磨粒均匀混合，在热压烧结过程中氧化石墨烯被还原成石墨烯，将石墨烯加入到预合金基胎体粉末中，可以显著提高胎体材料的硬度、抗氧化性，改善其摩擦特性。将其用于孕镶金刚石钻头的制造，可以在较低的烧结温度下(800℃)制备出具有高锋利度、使用寿命长的金刚石钻头。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供的一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料由预合金基胎体粉末、氧化石墨烯和金刚石磨粒组成，预合金基胎体粉末由质量比为13：1：6的铁镍预合金粉、Mn锰粉和WC碳化钨粉组成；其中铁镍预合金粉平均粒径为10um，铁和镍的质量比3：1；氧化石墨烯厚度为0.6nm～1.0nm，片层大小为0.5um～5um，在400℃保温过程中，可以完成热还原，获得石墨烯。
本发明所用Mn锰粉的平均粒径为10um，WC碳化钨粉的平均粒径为20um。
本发明所用金刚石磨粒为40目～80目的人造金刚石单晶。
实施例1
(1)将1.6g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)加入到200mL蒸馏水中，超声分散0.5h，使CTAB溶解完全，得到CTAB水溶液，CTAB水溶液颜色由乳白色变为澄清透明；将39g铁镍预合金粉加入CTAB水溶液中，用电动搅拌机搅拌0.5h，使铁镍预合金粉与CTAB接触完全；用蒸馏水对CTAB修饰的铁镍预合金粉进行漂洗，以避免加入氧化石墨烯时，氧化石墨烯直接在含有较多CTAB的水中发生静电吸附，团聚，而铁镍预合金粉表面的CTAB膜却得以保留，这样便获得了CTAB修饰的铁镍预合金粉(未干燥)，将其加入150mL蒸馏水中，使用电动搅拌机进行搅拌；
(2)称取0.39g氧化石墨烯(质量为铁镍预合金粉质量的1％)的氧化石墨烯，将其加入50mL蒸馏水中，超声分散1.5h，实现氧化石墨烯的解团聚和在蒸馏水中的均匀分散，得到氧化石墨烯的水分散液；
(3)用胶头滴管将氧化石墨烯的水分散液逐滴缓慢加入到步骤(1)中正在搅拌的CTAB修饰的铁镍预合金粉水分散液中，由于CTAB修饰的铁镍预合金粉带正电，而氧化石墨烯带负电，在静电作用下，氧化石墨烯与CTAB修饰的铁镍预合金粉结合，从而实现了氧化石墨烯在铁镍预合金粉中的分散，搅拌0.5h，真空抽滤，真空干燥后获得氧化石墨烯/铁镍预合金粉复合粉末；
(4)称取3gMn锰粉和18gWC碳化钨粉，将其与步骤(3)中的氧化石墨烯/铁镍预合金粉复合粉末(约39g)放入不锈钢磨罐中，再加入不锈钢研磨球，球料比为4:1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间4h，转速300r/min，之后进行真空干燥，获得氧化石墨烯/预合金基胎体粉末；
(5)将步骤(4)中获得的氧化石墨烯/预合金基胎体粉末与金刚石磨粒按体积百分比为氧化石墨烯/预合金基胎体粉末80vol％与金刚石磨粒20vol％进行称量，放入三维混料机中混合2h，得到复合粉末；
(6)将步骤(5)中的复合粉末装入石墨模具中，使用热压烧结炉进行烧结，烧结工艺如下：首先在150s内将复合粉末温度提高到400℃，压力由0MPa提高到7.5MPa，保温200s；然后在150s内将温度提高到800℃，压力提高到15MPa，保持烧结温度为800℃，压力15MPa，保温时间200s；之后在300s内将温度降至450℃、压力降至5Mpa，最后撤去压力并自然冷却到室温，获得石墨烯增强预合金基金刚石复合材料。
实施例2
(1)将1.4g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)加入到200mL蒸馏水中，超声分散0.5h，使CTAB溶解完全，得到CTAB水溶液，CTAB水溶液颜色由乳白色变为澄清透明；将39g铁镍预合金粉加入CTAB水溶液中，用电动搅拌机搅拌0.5h，使铁镍预合金粉与CTAB接触完全。用蒸馏水对CTAB修饰的铁镍预合金粉进行漂洗，将获得的CTAB修饰的铁镍预合金粉(未干燥)加入150mL蒸馏水中，使用电动搅拌机进行搅拌；
(2)称取0.195g氧化石墨烯(质量为铁镍预合金粉质量的0.5％)的氧化石墨烯，将其加入50mL蒸馏水中，超声分散1.5h，实现氧化石墨烯的解团聚和在蒸馏水中的均匀分散，得到氧化石墨烯的水分散液；
(4)称取3gMn锰粉和18gWC碳化钨粉，将其与步骤(3)中的氧化石墨烯/铁镍预合金粉复合粉末(约39g)放入不锈钢磨罐中，再加入不锈钢研磨球，球料比为4:1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间4h，转速300r/min，之后进行真空干燥，获得氧化石墨烯/预合金基胎体粉末；
(5)将步骤(4)中获得的氧化石墨烯/预合金基胎体粉末与金刚石磨粒按体积百分比为氧化石墨烯/预合金基胎体粉末80vol％与金刚石磨粒20vol％进行称量，放入三维混料机中混合2h，得到复合粉末；
(6)将步骤(5)中的复合粉末装入石墨模具中，使用热压烧结炉进行烧结，烧结工艺如下：首先在150s内将复合粉末温度提高到400℃，压力由0MPa提高到7.5MPa，保温200s；然后在150s内将温度提高到800℃，压力提高到15MPa，保持烧结温度为800℃，压力15MPa，保温时间200s；之后在300s内将温度降至450℃、压力降至5Mpa，最后撤去压力并自然冷却到室温，获得石墨烯增强预合金基金刚石复合材料。
实施例3
(1)将1.2g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)加入到200mL蒸馏水中，超声分散0.5h，使CTAB溶解完全，得到CTAB水溶液，CTAB水溶液颜色由乳白色变为澄清透明；将39g铁镍预合金粉加入CTAB水溶液中，用电动搅拌机搅拌0.5h，使铁镍预合金粉与CTAB接触完全。用蒸馏水对CTAB修饰的铁镍预合金粉进行漂洗，将获得的CTAB修饰的铁镍预合金粉(未干燥)加入150mL蒸馏水中，使用电动搅拌机进行搅拌；
(2)称取0.0039g氧化石墨烯(质量为铁镍预合金粉质量的0.01％)的氧化石墨烯，将其加入50mL蒸馏水中，超声分散1.5h，实现氧化石墨烯的解团聚和在蒸馏水中的均匀分散，得到氧化石墨烯的水分散液；
(4)称取3gMn锰粉和18gWC碳化钨粉，将其与步骤(3)中的氧化石墨烯/铁镍预合金粉复合粉末(约39g)放入不锈钢磨罐中，再加入不锈钢研磨球，球料比为4:1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间4h，转速300r/min，之后进行真空干燥，获得氧化石墨烯/预合金基胎体粉末；
(5)将步骤(4)中获得的氧化石墨烯/预合金基胎体粉末与金刚石磨粒按体积百分比为氧化石墨烯/预合金基胎体粉末80vol％与金刚石磨粒20vol％进行称量，放入三维混料机中混合2h，得到复合粉末；
(6)将步骤(5)中的复合粉末装入石墨模具中，使用热压烧结炉进行烧结，烧结工艺如下：首先在150s内将复合粉末温度提高到400℃，压力由0MPa提高到7.5MPa，保温200s；然后在150s内将温度提高到800℃，压力提高到15MPa，保持烧结温度为800℃，压力15MPa，保温时间200s；之后在300s内将温度降至450℃、压力降至5Mpa，最后撤去压力并自然冷却到室温，获得石墨烯增强预合金基金刚石复合材料。
Claims (7)
1.一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将十六烷基三甲基溴化铵加入到蒸馏水中，超声分散，使十六烷基三甲基溴化铵溶解完全，得到十六烷基三甲基溴化铵水溶液；向十六烷基三甲基溴化铵水溶液中加入铁镍预合金粉，搅拌，使铁镍预合金粉与十六烷基三甲基溴化铵接触完全，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉，用蒸馏水对十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉进行漂洗，漂洗后将其加入蒸馏水中并搅拌，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉水分散液；
(2)称取质量为铁镍预合金粉质量0.01％～1％的氧化石墨烯，将其加入蒸馏水中，超声分散，实现氧化石墨烯的解团聚和在蒸馏水中的均匀分散，得到氧化石墨烯的水分散液；
(3)将步骤(2)中所述的氧化石墨烯的水分散液逐滴缓慢加入到步骤(1)中正在搅拌的十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉水分散液，在静电作用下，氧化石墨烯与十六烷基三甲基溴化铵修饰的铁镍预合金粉结合，氧化石墨烯分散在铁镍预合金粉中，搅拌，真空抽滤，真空干燥后获得氧化石墨烯/铁镍预合金粉复合粉末；
(4)称取Mn锰粉和WC碳化钨粉，Mn锰粉、WC碳化钨粉和铁镍预合金粉的质量比为1：6：13，将称取的Mn锰粉、WC碳化钨粉和步骤(3)中的氧化石墨烯/铁镍预合金粉复合粉末放入不锈钢磨罐中，再加入不锈钢研磨球，球料比为4:1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间2h～4h，转速300r/min，之后进行真空干燥，获得氧化石墨烯/预合金基胎体粉末；
(5)将步骤(4)中获得的氧化石墨烯/预合金基胎体粉末与金刚石磨粒按体积百分比为氧化石墨烯/预合金基胎体粉末70vol％～80vol％和金刚石磨粒20vol％～30vol％进行称量，放入三维混料机中混合，得到复合粉末；
(6)将步骤(5)中的复合粉末装入石墨模具中，使用热压烧结炉进行烧结，得到石墨烯增强预合金基金刚石复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强预合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：所述铁镍预合金粉平均粒径为10um，铁和镍的质量比3：1。
3.根据权利要求1所述的石墨烯增强预合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯厚度为0.6nm～1.0nm，片层大小为0.5um～5um，在400℃保温过程中，可以完成热还原，获得石墨烯。
4.根据权利要求1所述的石墨烯增强预合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：所述Mn锰粉的平均粒径为10um，WC碳化钨粉的平均粒径为20um。
5.根据权利要求1所述的石墨烯增强预合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：所述金刚石磨粒为40目～80目的人造金刚石单晶。
6.根据权利要求1所述的石墨烯增强预合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中烧结工艺如下：首先在150s内将复合粉末温度提高到400℃，压力由0MPa提高到7.5MPa，保温200s；然后在150s内将温度提高到800℃，压力提高到15MPa，保持烧结温度为800℃，压力15MPa，保温时间200s；之后在300s内将温度降至450℃、压力降至5Mpa，最后撤去压力并自然冷却到室温。
7.一种石墨烯增强预合金基金刚石复合材料，其特征在于：通过权利要求1-6中任意一项所述方法制备得到。
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| CN112831707A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-05-25 | 上海今海新材料科技有限公司 | 一种添加石墨烯作为增强相的硬质合金 |
| CN115138850A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-10-04 | 广东省科学院新材料研究所 | 金刚石工具及其制备方法、应用 |
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