CN111304731A - 异形表面形貌金刚石单晶及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异形表面形貌金刚石单晶及其制造方法，属于人造金刚石单晶合成领域，包括如下重量份数的原料制成：石墨粉40‑50份、镍粉15份、铁粉28份、金刚石母粉0.2份、钴粉1‑5份﹑铜粉0.3份﹑铝粉0.2份﹑稀土0.5份、氮化钠0.5份、硫粉0.5份，通过金刚石单晶的异形表面形貌与金属镀层的牢固结合提高了金刚石与金属结合剂把持力，通过优化配方和合成工艺提高了金刚石的转化率和内部品质形成优质产品，能增强金刚石与结合剂之间的结合力及材料合成效率，改善金刚石类磨削工具锋利度和加工效率。

Description

异形表面形貌金刚石单晶及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种能增强金刚石与结合剂之间的结合力及材料合成效率，改善金刚石类磨削工具锋利度，提高加工效率的异形表面形貌金刚石单晶及其制造方法，属于人造金刚石单晶合成领域。

背景技术

随着经济社会的发展，在工业生产中金刚石的应用领域及数量也越来越多，人造金刚石于1960年代初投入商业生产，金刚石锯片是各类金刚石制品中用量最大的一类产品，据国内外统计资料估计，目前世界上工业金刚石50％左右用于制造石材加工工具，其中主要是石材锯片；锯片的制造和使用涉及超硬材料以及冶金、机械、地矿、建材与建筑业等多个工业部门和学科领域，人造金刚石作为锯切和钻机等工具制作的主要材料之一，包含多种因素，存在许多问题，如金刚石与大部分的金属、陶瓷等材料之间有较高的界面能，使得金刚石与基体的金属或者合金难以有效地包镶，界面结合力较差，其热膨胀系数远远小于金属或者合金结合剂的膨胀系数，故在磨削力的作用下极易脱落，从而使磨具的使用寿命大打折扣，同时也造成金刚石的利用率较低；目前国内外采用在金刚石表面镀覆金属的方法来降低金刚石与基体的界面能，但是由于以往合成的金刚石表面呈光滑的镜面，与镀覆金属的摩擦力较小，镀覆后的使用效果未能得到明显的提高；为了增强金刚石与金属的摩擦力，故而在镀覆前需对金刚石的表面进行修饰；虽然采用这种对合成后金刚石表面进行化学修饰（刻蚀）方法来解决上述问题，但是存在着既损失了金刚石自有的特性，又增加了金刚石下游企业的生产成本，同时也造成资源的浪费，更因使用了危险化学药品带来了环境安全隐患的缺陷，严重制约了金刚石制品的快速发展。因此国内外金刚石制品市场需要开展异形表面形貌金刚石单晶的研发，急需一种能够与金属镀层牢固结合的特殊表面的金刚石。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种通过金刚石单晶的异形表面形貌与金属镀层的牢固结合来提高金刚石与金属结合剂把持力的异形表面形貌金刚石单晶及其制造方法，通过优化配方和合成工艺来提高金刚石的转化率和内部品质形成优质产品。

本发明的目的是这样实现的：

一种异形表面形貌金刚石单晶，包括如下重量份数的原料制成：石墨粉40-50份、镍粉15份、铁粉28份、金刚石母粉0.2份、钴粉1-5份﹑铜粉0.3份﹑铝粉0.2份﹑稀土0.5份、氮化钠0.5份、硫粉0.5份。

所述石墨粉是粒度为300目的高纯鳞片状石墨粉，其重量百分比纯度在99.99%以上，其石墨化度要求在90以上，所述其它原料为200目，其重量百分比纯度要求98%以上。

一种所述的异形表面形貌金刚石单晶的制造方法，是按照如下步骤实现的：

步骤1）、将所述镍粉、铁粉、金刚石微粉、钴粉﹑铜粉﹑铝粉﹑稀土、氮化钠、硫粉原料混合均匀，混料时间在10小时以上，制成合成金刚石触媒粉，触媒粉粒度在200 目；

步骤2）、将所述石墨粉和步骤1）制成的金刚石触媒粉进行混料10小时，造粒；

步骤3）、把步骤2）的颗粒放置于匣砵内，在保护性气氛中，通入氢气进行高温还原，高温还原温度在1000℃～1400℃，高温还原时间不低于2 h，还原后上自动压柱机，压制成石墨棒；

步骤4）、把石墨棒按照间接加热的组装方式组装成合成块，放入烘箱高温内预热，其温度在110℃～140℃，烘制时间为2～5小时；

步骤5）、把合成块放入六面顶压机的合成腔内，按照溶媒法合成金刚石，合成压力控制在4.5-5.5GPa，合成温度控制在1000-1400℃，合成时间为600s-2400s，按照设定的合成工艺为二次升压一次功率大降幅温工艺进行高温高压合成，一次功率大降幅温的温度变化的范围为80-200℃，合成后的合成块进行破碎﹑电解﹑提纯后得到异形表面形貌金刚石单晶，提纯的方式为电解。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1、本发明以高纯鳞片状石墨粉为合成金刚石的碳源；以铁粉、镍粉、钴粉、铜粉、稀土、铝粉、氮化钠为催化剂，降低了合成金刚石的合成条件，使金刚石表面由于原子突变形成凸凹不平的表面，晶体颜色浅黄，透明度好；金刚石母粉起到控制合成金刚石的粒度的作用；硫粉使金刚石在形成六八面晶体的区间扩宽，提高了合成的稳定性。

2、本发明的配方中加入钴粉、稀土和铜粉可以有效提高金刚石单晶的高品级料的比例，制造出来的金刚石单晶的晶体颜色浅黄，透明度好，杂质少；同时在硫粉的作用下，在原来的金刚石合成区间的基础上，扩大了六八面晶体的生长区间，铝粉、稀土协助钴粉和铜粉一起减少了杂质出现，尤其是铝粉可以有效地减少氮杂质的出现，稀土减少氧杂质的出现，提高金刚石单晶的颜色纯度；铜粉在使用时有效降低了合成时用的温度，减少杂质进入金刚石晶体内；上述催化剂的各个成分在提高晶体排杂性的同时，在合成期间还引起晶体表面原子突变，形成凸凹不平的表面方面起到决定性作用。

3、本发明制备的异形表面形貌金刚石单晶，具有晶体表面凸凹不平的特点，能显著提高金刚石的比表面积和粗糙度。从本发明的电镜照片图中可以看出，异形表面形貌金刚石的各个表面均存在较多的波纹状沟壑，这些沟壑的存在大大的增加了金刚石与金属基体的结合力，提高了金刚石的使用寿命。现有技术中普通金刚石单晶表面粗糙度为Ra=15nm,Rq=20nm，本发明配方的表面粗糙度为Ra=136nm,Rq=152nm，可以有效提升异形表面形貌金刚石单晶与金属基体之间的把持力。本发明配方产生的金刚石晶体各个面都有波纹，而现有技术中虽然也能实现波纹面，但是这种波纹面只有个别面有，所以本发明配方的产品在做成制品时把持力好，锋利度高。尤其本申请人前期公开的一些配方及现有技术，其表面粗糙度无法达不到本配方程度，本发明表面粗糙度大的特点现有技术及其他已有配方是达不到的。

5、本发明所生产的异形表面形貌金刚石单晶与金属基体之间的把持力在得到很大提升后，使得金刚石与基体的金属或者合金有效地包镶在一起，界面结合力强，在磨削力的作用下金刚石不易脱落，使磨具的使用寿命和金刚石的利用率得到提高，做成小径锯片后锋利度提高10%以上。

6、本发明的突出的积极效果是提高异形表面形貌金刚石单晶的表面粗糙度和其它各项性能，经测试参数件下表。

对比数据

此产品为系列产品：此次对比数据提供的同一品级B1的数据。HWD80+是黄河旋风产品品牌牌号。TI是在常温下冲击3000次后的未破碎率，代表金刚石的强度，越高品质越好，TTI代表是在1100℃氩气保护状态下3000次冲击后的未破碎率。TI与TTI数值越接近使用时产品的热稳定性越好。TI是冷冲击强度值，TTI是热冲击强度。差值越小代表热稳定性越好。

本发明另外一个特色是金刚石的灰分低于同类产品灰分的50%。

7、本发明调整了原材料的配方，改进了触媒成分，优化了触媒与石墨配比，有效地控制了晶体表面形貌，通过优化原材料的成分与含量，提高了异型表面形貌金刚石单晶的粒度集中度；通过调整合成还原工艺提高了异型表面形貌金刚石单晶的颜色，通过优化了合成工艺曲线，提高了单块产量，降低了晶体的磁性和磁化率；合成工艺采用二次升压一次功率大降幅温工艺进行高温高压合成，组装块采用间接加热方式，组装附件采用优化后的组件，增加合成稳定性；

本发明还改进了合成附件，提高了合成的稳定性，改进了超高压合成装备，降低了生产成本，通过改进金刚石后处理工艺，减少了能源消耗和污染排放；在提纯环节采用了电解工艺，绿色无污染且电解时间比普通金刚石的电解时间缩短一半，降低了提纯成本，减少了酸碱与电力消耗，减少了污染排放。

附图说明

图1为同品级普通金刚石单晶的电镜照片。

图2 为本发明制备出的异形表面形貌金刚石单晶的电镜照片。

具体实施方式

下面以具体结合实施例对本发明内容作进一步的详细说明，而不会限制本发明权利要求保护的范围。

实施例1：一种异形表面形貌金刚石单晶，包括如下重量克数的原料制成：高纯鳞片状石墨粉50克、镍粉15克、铁粉28克、金刚石母粉0.2克、钴粉1克﹑铜粉0.3克﹑铝粉0.2克、稀土0.5克、氮化钠0.5克、硫粉0.5克。

所述石墨粉是粒度为300目的高纯鳞片状石墨粉，其重量百分比纯度在99.99%以上，其石墨化度要求在90以上，所述其它原料为200目，其重量百分比纯度要求98%以上。

上述的异形表面形貌金刚石单晶的制造方法，是按照如下步骤实现的：

步骤1）、将上述原料的铁粉、镍粉、金刚石母粉、钴粉﹑铜粉﹑铝粉﹑稀土、氮化钠、硫粉混合均匀，混料时间在10小时以上，制成合成金刚石触媒粉，触媒粉粒度在200 目；

步骤2）、将所述高纯鳞片状石墨粉和步骤1）制成的金刚石触媒粉进行混料10小时，造粒；

步骤3）、把步骤2）的颗粒放置于匣砵内，在保护性气氛中，通入氢气进行高温还原，高温还原温度在1000℃～1400℃，高温还原时间不低于2 h，还原后上自动压柱机，压制成石墨棒；

步骤4）、把石墨棒按照间接加热的组装方式组装成合成块，放入烘箱高温内预热，其温度在110℃～150℃，烘制时间为2～5小时；

步骤5）、把合成块放入六面顶压机的合成腔内，按照溶媒法合成金刚石，合成压力控制在5-5.5GPa，合成温度控制在1000-1400℃，合成时间为2100s，按照设定的合成工艺为二次升压一次功率大降幅温工艺进行高温高压合成，一次功率大降幅温的温度变化的范围为80-200℃，合成后的合成块进行破碎﹑电解﹑提纯后得到金刚石单晶，提纯的方式为电解。

实验结果：粒度主峰为40/45用显微镜观察异形表面形貌金刚石单晶，其表面光滑，此种金刚石的磁性为18%，颜色黄亮，透度好，电镜照片见图2。

实施例2：一种异形表面形貌金刚石单晶，包括如下重量克数的原料制成：高纯鳞片状石墨粉40克、镍粉15克、铁粉28克、金刚石母粉0.2克、钴粉1克﹑铜粉0.3克﹑铝粉0.2﹑稀土0.5克、氮化钠0.5克、硫粉0.5克。所述石墨粉是粒度为300目的高纯鳞片状石墨粉，其重量百分比纯度在99.99%以上，其石墨化度要求在90以上，所述其它原料为200目，其重量百分比纯度要求98%以上，制作石墨柱的工艺流程同实验1。

实验结果：粒度主峰为40/45，用显微镜观察异形表面形貌金刚石单晶，其各面都有较浅凸凹不平的粗糙表面和褶皱，此种金刚石的磁性为13%，颜色深黄发暗，透度一般。

实施例3：一种异形表面形貌金刚石单晶，包括如下重量克数的原料制成：高纯鳞片状石墨粉40克、镍粉15克、铁粉28克、金刚石母粉0.2克、钴粉5克﹑铜粉0.3克﹑铝粉0.2克﹑稀土0.5克、氮化钠0.5克、硫粉0.5克。所述石墨粉是粒度为300目的高纯鳞片状石墨粉，其重量百分比纯度在99.99%以上，其石墨化度要求在90以上，所述其它原料为200目，其重量百分比纯度要求98%以上，制作石墨柱的工艺流程同实验1。

实验结果：粒度主峰为40/45，用显微镜观察异形表面形貌金刚石单晶，其各面凸凹不平的粗糙表面和褶皱较为明显，此种金刚石的磁性为11%，颜色浅黄，透度好，40/45TTI≧80的高料比例大，电镜照片见图1。

本发明的异形表面形貌金刚石单晶的颜色浅黄比申请人早期产品（B1）中的颜色浅；合成金刚石单晶的生长区间变宽，生产稳定性好；高品级料的比例高。

本发明按照原材料配比-混料-造粒-还原-压石墨柱-组装-合成-提纯-选型-质检-包装入库的工艺步骤进行，针对人造金刚石单晶作为磨料使用过程中存在由于金刚石表面光滑与结合剂之间结合不牢，在磨削过程中造成金刚石脱落，影响磨削效率和效果，针对上述因素，本发明提供一种异形表面形貌金刚石单晶及其制备方法，异形表面形貌金刚石单晶作为磨料应用于金刚石类磨削工具，能增强结合剂与金刚石之间的结合力，提高了金刚石的出刃高度，从而改善了金刚石类磨削工具的锋利度，提高了加工效率。

Claims (3)

1.一种异形表面形貌金刚石单晶，其特征在于：包括如下重量份数的原料制成：石墨粉40-50份、镍粉15份、铁粉28份、金刚石母粉0.2份、钴粉1-5份﹑铜粉0.3份﹑铝粉0.2份﹑稀土0.5份、氮化钠0.5份、硫粉0.5份。

2.根据权利要求1所述的异形表面形貌金刚石单晶，其特征在于：所述石墨粉是粒度为300目的高纯鳞片状石墨粉，其重量百分比纯度在99.99%以上，其石墨化度要求在90以上，所述其它原料为200目，其重量百分比纯度要求98%以上。

3.一种如权利要求1-3所述的异形表面形貌金刚石单晶的制造方法，其特征在于：是按照如下步骤实现的：

步骤1）、将所述镍粉、铁粉、金刚石微粉、钴粉﹑铜粉﹑铝粉﹑稀土、氮化钠、硫粉原料混合均匀，混料时间在10小时以上，制成合成金刚石触媒粉，触媒粉粒度在200 目；

步骤2）、将所述石墨粉和步骤1）制成的金刚石触媒粉进行混料10小时，造粒；

步骤3）、把步骤2）的颗粒放置于匣砵内，在保护性气氛中，通入氢气进行高温还原，高温还原温度在1000℃～1400℃，高温还原时间不低于2 h，还原后上自动压柱机，压制成石墨棒；

步骤4）、把石墨棒按照间接加热的组装方式组装成合成块，放入烘箱高温内预热，其温度在110℃～140℃，烘制时间为2～5小时；

步骤5）、把合成块放入六面顶压机的合成腔内，按照溶媒法合成金刚石，合成压力控制在4.5-5.5GPa，合成温度控制在1000-1400℃，合成时间为600s-2400s，按照设定的合成工艺为二次升压一次功率大降幅温工艺进行高温高压合成，一次功率大降幅温的温度变化的范围为80-200℃，合成后的合成块进行破碎﹑电解﹑提纯后得到异形表面形貌金刚石单晶，提纯的方式为电解。

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