CN112919910B - 一种超硬聚晶刀具的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超硬聚晶刀具的制备方法，包括步骤：原料预处理、毛坯成型和刀具合成。在所述毛坯成型的步骤中，丙烯酰胺和N,N‑亚甲基双丙烯酰胺在过硫酸铵的作用下快速聚合形成聚丙烯酰胺，所述浆料固化后形成刀具毛坯；得各原料均匀混合，避免或减弱了原料混合和毛坯成型过程中出现的分层或团聚等夹杂现象，从而削弱了因物料材质和粒径不同、分布不均引起的残余应力对刀具的影响。所述刀具合成的步骤中，先将所述组装块进行真空干燥处理再进行高温高压烧结处理，可以去除因刀具毛坯中的有机物分解产生的气孔引起的残余应力对超硬聚晶刀具的影响，使制备的超硬聚晶刀具具有较好的使用性能和较长的使用寿命，降低经济损失，提高工作效率。

Description

一种超硬聚晶刀具的制备方法

技术领域

本发明超硬材料加工技术领域，具体涉及一种超硬聚晶刀具的制备方法。

背景技术

超硬刀具是现代工程材料在加工硬度方面提出的更高要求而应运而生。目前的超硬刀具主要有聚晶金刚石刀具和聚晶立方氮化硼刀具两种。立方氮化硼具有高硬度、高热稳定性、对铁族金属呈惰性、故最适合切削各种淬硬钢、各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂零件。与立方氮化硼相比，金刚石具有更高的硬度以及其他优异性能，由金刚石所制造的刀具应用广泛，可以加工各种难加工材料，能够对有色金属，尤其是铜铝及其合金进行精密切削加工。

人造超硬刀具的制备方法有很多，目前使用的主要是热压法和气相沉积法。热压法制备聚晶刀具所使用的设备是两面顶和六面顶液压机。将不同粒径的金刚石或立方氮化硼等超硬原料与结合剂粉末混合均匀后冷压成型制成毛坯，再将毛坯放入叶腊石腔体内，经过高温高压处理后即为聚晶刀具坯料。但是，刀具合成后的残余应力是超硬刀具产品失效的重要因素之一。如果应力得不到消除将会导致刀具的强度等指标降低，使其在使用和后加工过程中出现“崩边”现象，甚至是出现裂纹缺陷，从而导致超硬刀具失效。因此减小或消除残余应力能够延长刀具的使用寿命，降低经济损失，提高工作效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种超硬聚晶刀具的制备方法，以解决上述问题。

本发明提供的一种超硬聚晶刀具的制备方法，包括步骤：

原料预处理 采用超声波将不同粒径的超硬原料分散在有机溶剂中，形成初混悬浮液；

毛坯成型 在搅拌的作用下，向所述初混悬浮液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、结合剂和过硫酸铵形成粘度为30～60 mPa.s的浆料，将所述浆料浇注于模具中固化，脱模制得刀具毛坯；其中，丙烯酰胺为所述结合剂质量的10%～20%，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为所述结合剂质量的3%～8%，过硫酸铵为所述结合剂质量的8%～15%；

刀具合成 将所述刀具毛坯置于叶腊石腔体内形成组装块，先将所述组装块进行真空干燥处理，再进行高温高压烧结处理，制得超硬聚晶刀具。

其中，本文中的各种溶液或浆料的“粘度”是在二号转子转速为12转/min时采用粘度计测量的。所述毛坯成型步骤中制得的所述浆料的粘度对超硬聚晶刀具的制备有重要影响。具体地，当所述浆料的粘度低于30 mPa.s时，浇注制得的刀具毛坯容易出现分层现象；当所述浆料的粘度大于60 mPa.s时，由于粘度比较大，流动性差，浆料浇注的坯体不能在模具中均匀铺展；所以浆料粘度在30～60 mPa.s时，浆料的流动性和可塑性都比较好，制得的刀具毛坯的均匀性也比较好，从而使得制备出的聚晶金刚石刀具的性能最好。

基于上述，所述超硬原料的粒径包括粒径为10～20 μm的粗粒径和粒径为0.5～5μm的细粒径，且所述粗粒径和所述细粒径的质量比为1 : 1～3 : 1。

基于上述，所述原料预处理的步骤包括：将不同粒径的所述超硬原料混合均匀形成超硬混合料，将所述超硬混合料超声波分散在无水乙醇中，然后加入十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和悬浮剂进行超声波处理，制得所述初混悬浮液；十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和所述悬浮剂的加入量分别为所述超硬混合料总质量的0.2%～1%。优选地，所述悬浮剂为聚乙烯醇或聚乙二醇。

基于上述，在所述毛坯成型的步骤中，形成所述浆料的方法包括：在搅拌作用下，先向所述初混悬浮液中加入丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺混合均匀，再加入增稠剂均匀混合，然后再加入结合剂和过硫酸铵形成所述浆料。优选地，所述增稠剂为聚乙烯醇、聚乙二醇或两者的组合。

基于上述，形成所述浆料的过程中，自加入过硫酸铵后5～30 min内使得所述浆料的粘度为30～60 mPa.s。在该过程中，过硫酸铵作为引发剂，如果加入过硫酸铵之后，5 min之内就使得浆料的粘度达到30～60 mPa.s，会存在各原料在浆料中分布不均匀的情况；若是超过30 min，会使得所述浆料形成沉淀；所以，在加入过硫酸铵之后5～30 min内使得所述浆料的粘度为30～60 mPa.s，才能使得最终制备的超硬聚晶刀具具有良好的使用性能和较长的使用寿命。优选地，在加入过硫酸铵之后10～25 min内使得所述浆料的粘度为30～60 mPa.s。

基于上述，在所述毛坯成型的步骤中，所述浆料浇注于模具中的固化时间为20～36 h，并以石蜡作为脱模剂。

基于上述，所述刀具合成的步骤包括：所述组装块组装之后，先在300℃～350℃于真空干燥箱中保温20～30 h，然后在4.5～7 Gpa、1300℃～1800℃的条件下进行高温高压烧结处理经后加工后即制得超硬聚晶刀具。

本发明提供的超硬聚晶刀具的制备方法通过先将不同粒径的超硬原料均匀混合制成初混悬浮液，再在搅拌状态下向初混悬浮液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、结合剂和过硫酸铵以形成粘度为30～60 mPa.s的浆料，其中，丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺在引发剂过硫酸铵的作用下聚合形成固化剂聚丙烯酰胺，所述浆料固化后形成刀具毛坯；所以，不同粒径的超硬原料和结合剂在所述刀具毛坯中均匀混合，避免了或减弱了现有技术在原料混合过程中出现的分层或团聚等现象，也避免了冷压成型过程中出现的团聚现象，从而削弱了因物料材质和粒径不同、分布不均引起的残余应力造成刀具“崩边”或出现“裂纹”等现象。另外，所述刀具毛坯先进行真空干燥处理，再进行高温高压烧结处理，如此，在真空干燥处理的步骤使得刀具毛坯中的各种有机物分解挥发，高温高压烧结处理可以进一步去除刀具毛坯因其中的有机物分解产生的气孔，进一步削弱了因孔引起的残余应力造成超硬聚晶刀具的“崩边”或“裂纹”，从而本发明制备的超硬聚晶刀具具有较好的使用性能和较长的使用寿命，有利于降低经济损失，提高工作效率。

本发明提供的上述超硬聚晶刀具的制备方法避免或减弱了超硬聚晶刀具加工过程中因金刚石的超细料的粒度过于细小，容易悬浮在空气中造成工作环境差的问题；另外，上述制备方法可以实现自动化生产、改善工人工作环境，具有环境友好的特点。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供的超硬聚晶刀具的制备方法，包括原料预处理、毛坯成型和刀具合成等步骤。具体通过先将超硬原料、丙烯酰胺N,N-亚甲基双丙烯酰胺、结合剂和过硫酸铵均匀混合形成具有一定粘度的浆料，其中在所述毛坯成型的步骤中，在过硫酸铵的引发催化作用下丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺快速聚合形成聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺固化形成刀具毛坯，各原料在刀具毛坯中均匀分散。在所述刀具合成的步骤中，先对所述刀具毛坯进行真空干燥，再进行高温高压烧结处理，从而制得使用性能较好和使用寿命较长的超硬聚晶刀具。

在其它条件相同的情况下，丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺及过硫酸铵的用量等因素对超硬聚晶刀具的混合效果以及刀具的性能有重要影响。

一、主要因素影响分析

下面以金刚石作为超硬磨料，进一步分析上面各因素对超硬聚晶刀具性能的影响

试验方法 一种超硬聚晶刀具的制备方法，包括步骤：

原料预处理 将W1的金刚石微粉50 g与100 g的W5的金刚石微粉混合均匀，将磨料在无水乙醇中进行超声处理30 min，将1.7 g的十二烷基苯磺酸钠1.6 g的聚乙烯吡咯烷酮一起加入到无水乙醇溶液中进行超声波处理30 min；随后搅拌混合均匀，并在搅拌过程中加入悬浮剂1.6 g聚乙烯醇，获得初混悬浮液；

毛坯成型 向所述初混悬浮液中加入6～8 g丙烯酰胺和2～3 g N,N-亚甲基双丙烯酰胺混合搅拌并加入2～5 g聚乙烯醇改善溶液的粘度；然后加入由17 g的铝和28 g的碳化钛组成的结合剂，随后加入4～6 g的过硫酸铵引发剂，继续搅拌20 min，使用二号转子转速为12转/min的粘度计测得的粘度为45 mPa.s左右时，将浆料浇注于模具中，固化24 h后脱模即得刀具毛坯，其中以石蜡作为脱模剂；

刀具合成 将所述刀具毛坯放置于叶腊石腔体内部形成组装块，先将所述组装块在真空干燥箱中在320℃左右保温24 h，并将该组装块放置于六面顶压机中，在6 Gpa、1450℃的条件下进行高温高压烧结处理，经后加工后即制得超硬聚晶金刚石刀具。

超硬聚晶金刚石刀具性能测试方法 采用维氏硬度计测试超硬聚晶金刚石刀具的硬度，参照JBT3235-2013聚晶金刚石磨耗比测定方法对超硬聚晶金刚石刀具的磨耗比进行测试，以体现金刚石刀具的使用性能及使用寿命。

1、丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺用量的影响

试验条件 丙烯酸酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺的用量如表1所示，过硫酸铵5 g。

由上述试验条件制得的聚晶金刚石刀具的性能测试结果如表1所示。

表1 丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺用量的影响表

从表1中可以看出：丙烯酰胺的用量在6～8 g和N,N-亚甲基双丙烯酰胺用量在2～3 g时，聚晶金刚石刀具的性能最好。

2、引发剂过硫酸铵用量的影响

试验条件 丙烯酸酰胺7 g，N,N-亚甲基双丙烯酰胺2.5 g，过硫酸铵的用量如表2所示。

由上述试验条件制得的聚晶金刚石刀具的性能测试结果如表2所示。

表2 过硫酸铵用量影响表

从表2中可以看出：过硫酸铵的用量在4～6 g时，聚晶金刚石刀具的性能最好。

实施例1

本实施例提供一种超硬聚晶金刚石刀具的制备方法，包括步骤：

原料预处理 将W1的金刚石微粉50g与100 g的W5的金刚石微粉混合均匀，将磨料在无水乙醇中进行超声处理30 min，将1.5 g的十二烷基苯磺酸钠1.8 g的聚乙烯吡咯烷酮一起加入到无水乙醇溶液中进行超声波处理30 min；随后搅拌混合均匀，并在搅拌过程中加入悬浮剂1.6 g聚乙烯醇，获得初混悬浮液；

毛坯成型 向所述初混悬浮液中加入7 g丙烯酰胺和3 g N,N-亚甲基双丙烯酰胺混合搅拌并加入1.6 g聚乙烯醇改善溶液的粘度；然后再加入由15 g的铝25 g的碳化钛组成的结合剂，随后加入5 g的过硫酸铵，继续搅拌30 min，使用二号转子转速为12转/min的粘度计测得浆料的粘度为55 mPa.s左右时，将浆料浇注于模具中，固化24 h后脱模即得刀具毛坯；

刀具合成 将所述刀具毛坯放置于叶腊石腔体内部形成组装块，先将所述组装块置于真空干燥箱中在340℃左右保温24 h，并将该组装块放置于六面顶压机中，在4.5 Gpa、1400℃的条件下进行高温高压烧结处理，经后加工后即制得超硬聚晶金刚石刀具，该超硬聚晶金刚石刀具的性能如表3所示。

对比例1

本对比例提供一种超硬聚晶金刚石刀具的制备方法，该制备方法包括：将W1的金刚石微粉50 g、100 g的W5的金刚石微粉、15 g的铝和25 g的碳化钛采用三维混料机均匀混合后，采用冷压成型制成毛坯，再将毛坯放入叶腊石腔体内，并将该组装块放置于六面顶压机中，在4.5 Gpa、1400℃的条件下进行高温高压烧结处理，经后加工后即制得超硬聚晶金刚石刀具，该超硬聚晶金刚石刀具的性能如表3所示。

实施例1和对比例1分别提供的聚晶金刚石刀具的性能如表3所示。

表3 聚晶金刚石刀具的性能对比表

实施例2

本实施例提供一种超硬聚晶金刚石刀具的制备方法，包括步骤：

原料预处理 将W5的金刚石微粉40 g与100 g的W10的金刚石微粉混合均匀，将磨料在无水乙醇中进行超声处理30 min，将1 g的十二烷基苯磺酸钠0.8 g的聚乙烯吡咯烷酮一起加入到无水乙醇溶液中进行超声波处理30 min；随后搅拌混合均匀，并在搅拌过程中加入悬浮剂0.9 g聚乙烯醇，获得初混悬浮液；

毛坯成型 向所述初混悬浮液中加入7 g丙烯酰胺和2.8 g N,N-亚甲基双丙烯酰胺混合搅拌并加入2 g聚乙烯醇改善溶液的粘度；然后加入由20 g的铝和15 g的碳化钛组成的结合剂，随后加入6 g的过硫酸铵，继续搅拌15 min，使用二号转子转速为12转/min的粘度计测得的粘度为60 mPa.s左右时，将浆料浇注于模具中，固化24 h后脱模即得刀具毛坯；

刀具合成 将所述刀具毛坯放置于叶腊石腔体内部，先将组装后的组装快在真空干燥箱中在330℃左右保温24 h，再放置于六面顶压机中，在4 Gpa、1350℃的条件下进行高温高压烧结处理，经后加工后即制得超硬聚晶金刚石刀具，该超硬聚晶金刚石刀具的性能如表4所示。

对比例2

本对比例提供一种超硬聚晶金刚石刀具的制备方法，该制备方法包括：将40 g的W5的金刚石微粉、100 g的W10的金刚石微粉、20 g的铝和15g的碳化钛采用三维混料机均匀混合后，采用冷压成型制成毛坯，再将毛坯放入叶腊石腔体内，并将该组装块放置于六面顶压机中，在4 Gpa、1350℃的条件下进行高温高压烧结处理，经后加工后即制得超硬聚晶金刚石刀具，该超硬聚晶金刚石刀具的性能如表4所示。

实施例2和对比例2分别提供的聚晶金刚石刀具的性能如表4所示。

表4 聚晶金刚石刀具的性能对比表

实施例3

本实施例提供一种超硬聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，包括步骤：

原料预处理 将30 g的W1的立方氮化硼微粉、50 g的W10的立方氮化硼微粉混合均匀，将磨料在无水乙醇中进行超声处理30 min，将0.7 g的十二烷基苯磺酸钠0.6 g的聚乙烯吡咯烷酮一起加入到无水乙醇溶液中进行超声波处理30 min；随后搅拌混合均匀，并在搅拌过程中加入悬浮剂0.7 g聚乙烯醇，获得初混悬浮液；

混料制备 向所述初混悬浮液中加入13 g丙烯酰胺和5.2 g N,N-亚甲基双丙烯酰胺混合搅拌并加入1.5 g聚乙烯醇改善溶液的粘度，形成二混液；

毛坯成型 加入由50 g的铝和80 g的碳化钛组成的结合剂，随后加入10.5 g的过硫酸铵，继续搅拌20 min，使用二号转子转速为12转/min的粘度计测得的粘度为60 mPa.s左右时，将浆料浇注于模具中，固化24 h后脱模即得刀具毛坯；

刀具合成 将所述刀具毛坯放置于叶腊石腔体内部，将组装后的组装快在真空干燥箱中在310℃左右保温24h，并将该组装块放置于六面顶压机中，在4 Gpa、1350℃的条件下进行高温高压烧结处理，经后加工后即制得超硬聚晶立方氮化硼刀具，该超硬聚晶立方氮化硼刀具的性能如表5所示。其中，表5的性能指标的测试方法与表3的对应指标的测试方法相同。

对比例3

本对比例提供一种超硬聚晶立方氮化硼刀具的制备方法，该制备方法包括：将30g的W1的立方氮化硼微粉、50 g的W10的立方氮化硼微粉微粉、50 g的铝和80 g的碳化钛采用三维混料机均匀混合后，采用冷压成型制成毛坯，再将毛坯放入叶腊石腔体内，并将该组装块放置于六面顶压机中，在4 Gpa、1350℃的条件下进行高温高压烧结处理，经后加工后即制得超硬聚晶立方氮化硼刀具，该超硬聚晶立方氮化硼刀具的性能如表5所示。

实施例3和对比例3分别提供的聚晶金刚石刀具的性能如表5所示。

表5 聚晶立方氮化硼刀具的性能对比表

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种超硬聚晶刀具的制备方法，包括步骤：

原料预处理 将不同粒径的超硬原料混合均匀形成超硬混合料，将所述超硬混合料超声波分散在无水乙醇中，然后加入十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和悬浮剂进行超声波处理，制得初混悬浮液；十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和所述悬浮剂的加入量分别为所述超硬混合料总质量的0.2%～1%；其中，所述超硬原料的粒径包括粒径为10～20 μm的粗粒径和粒径为0.5～5 μm的细粒径，且所述粗粒径和所述细粒径的质量比为1 : 1～3 :1；

毛坯成型 在搅拌的作用下，向所述初混悬浮液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、结合剂和过硫酸铵形成粘度为30～60 mPa.s的浆料，将所述浆料浇注于模具中固化，脱模制得刀具毛坯；其中，丙烯酰胺为所述结合剂质量的15%～30%，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为所述结合剂质量的10%～20%，过硫酸铵为所述结合剂质量的10%～20%；

刀具合成 将所述刀具毛坯置于叶腊石腔体内形成组装块，先将所述组装块进行真空干燥处理，再进行高温高压烧结处理，制得超硬聚晶刀具。

2.根据权利要求1所述的超硬聚晶刀具的制备方法，其特征在于，在所述毛坯成型的步骤中，形成所述浆料的方法包括：在搅拌作用下，先向所述初混悬浮液中加入丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺混合均匀，再加入增稠剂均匀混合，然后再加入结合剂和过硫酸铵形成所述浆料。

3.根据权利要求2所述的超硬聚晶刀具的制备方法，其特征在于，形成所述浆料的过程中，自加入过硫酸铵后5～30 min内使得所述浆料的粘度为30～60 mPa.s。

4.根据权利要求3所述的超硬聚晶刀具的制备方法，其特征在于，在所述毛坯成型的步骤中，所述浆料浇注于模具中的固化时间为20～36 h，并以石蜡作为脱模剂。

5.根据权利要求4所述的超硬聚晶刀具的制备方法，其特征在于，所述刀具合成的步骤包括：所述组装块组装之后，先在300℃～350℃于真空干燥箱中保温20～30 h，然后在4.5～7 Gpa、1300℃～1800℃的条件下进行高温高压烧结处理经后加工后即制得超硬聚晶刀具。