CN113528879B - 一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石及其制备方法 - Google Patents

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CN113528879B CN202110805725.8A CN202110805725A CN113528879B CN 113528879 B CN113528879 B CN 113528879B CN 202110805725 A CN202110805725 A CN 202110805725A CN 113528879 B CN113528879 B CN 113528879B
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Abstract

本发明提供了一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石及其制备方法，属于超硬复合材料技术领域。本发明将Ti粉、Si粉和纳米金刚石进行球磨，发生机械合金化，得到结合剂料；所述Ti粉和Si粉的摩尔比值等于3；所述纳米金刚石和Si粉的摩尔比值＞2且≤5；将所述结合剂料与微米金刚石混合，将所得混合料进行预压，将所得预压坯进行高温高压烧结，得到原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石。由于纳米金刚石的过量加入及高压环境，使得纳米金刚石在与Ti、Si反应后有剩余并可留存，解决了传统制备PCD方法的添加Si、Ti、B、Ni等易在远离金刚石的“棚架区”残留未反应完全的Ti、Si及其化合物从而留下软点的问题。

Description

一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石及其制备方法
技术领域
本发明涉及超硬复合材料技术领域，尤其涉及一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石及其制备方法。
背景技术
金刚石是目前已知的世界上最硬的材料。自上个世纪50年代人工合成金刚石以来，金刚石及其制品就被广泛地应用于加工领域，被用作切削、钻探或磨抛工具等。然而，人工合成的金刚石由于其颗粒细小(工业金刚石一般颗粒尺寸小于1mm)并不易直接用作切割工具，通常以金刚石微粉(0.5～60μm)为主体，通过添加结合剂粉末烧结的方式或通过融入-析出的反应烧结在一起得到各项同性的金刚石多晶烧结体聚晶金刚石，简称PCD。
传统的PCD材料主要分为两大类：Ti-Si系列的结合剂烧结PCD和以钴为主的金属扫越反应烧结的PCD。Ti-Si系列的结合剂型PCD是指将Ti粉和Si粉与金刚石微粉在高温高压的条件下烧结，烧结过程中形成的共价键化合物TiC和SiC将金刚石连接起来。有的时候为了改善烧结性或烧结体性能还要添加少量的硼和镍等。由于是固态烧结，在“远离”微米金刚石表面的位置，Ti、Si等形成TiSi化合物，甚至残留单质Ti、Si；微米金刚石相互接触使其留下无金刚石区域，形成“棚架区”，降低了PCD硬度均匀性；并且“棚架区”材料强度低，裂纹经常从这里发展，使得PCD材料的韧性较差，易发生脆性断裂。以Co为主的扫越生长型PCD具有易烧结和韧性高的特性，然而，残留的Co极大的弱化了PCD的使用性能，特别是Co等触媒金属在常压高温条件下能够促使金刚石向石墨转变。由于金属的热膨胀系数远高于金刚石，在使用过程中易产生应力集中，导致裂纹产生。
近年来，三元层状化合物Ti3SiC2陶瓷由于同时具有金属和陶瓷优良的物理化学性能而引起了物理和材料科学工作者的浓厚兴趣。一方面，它具有与金属材料相似的良好导热、导电性，以及优越的可加工性；另一方面，它还具有与陶瓷材料相近的物理化学性能，如高熔点、抗氧化、耐化学腐蚀、耐高温和优良的抗热震性能等。Ti3SiC2相与超硬材料复合，能够克服金属和陶瓷各自的缺点，因此Ti3SiC2相独特的性能可以改善目前PCD材料的一些性能。最近，有很多直接添加Ti3SiC2作为结合剂的PCD，但是，Ti3SiC2相的硬度与金刚石相差甚远，也远低于TiC、SiC等。也有人在制备PCD过程中加入Ti、Si、C等单质材料，期望在制备PCD过程中反应生成Ti3SiC2，并且希望在与金刚石表面的接触部位生成TiC与SiC，增加金刚石与结合剂的连接强度。但是，由于加入的Si、Ti、C等粉末粒度不同及密度差别，使混合粉末的均匀性较差，因而导致不能完全反应，经常在Ti、Si、C等聚集处剩余单质材料，并部分集中到“棚架区”，使这个区域存在软点，不能解决“棚架区”的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石及其制备方法，解决了传统制备PCD方法的添加Si、Ti、B、Ni等易在金刚石的“棚架区”域残留未反应完全的Ti、Si及其化合物从而留下软点的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将Ti粉、Si粉和纳米金刚石进行球磨，发生机械合金化，得到结合剂料；所述Ti粉和Si粉的摩尔比值等于3；所述纳米金刚石和Si粉的摩尔比值＞2且≤5；
将所述结合剂料与微米金刚石混合，得到混合料；
将所述混合料进行预压，得到预压坯；
将所述预压坯进行高温高压烧结，得到原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石；
所述高温高压烧结包括：依次进行第一高温高压烧结和第二高温高压烧结；所述第一高温高压烧结的温度为1100～1300℃，保温时间为5～15min；所述第二高温高压烧结的温度为1350～1500℃，保温时间为5～40min；
所述第一高温高压烧结和第二高温高压烧结的压力独立为5.5GPa以上。
优选的，所述Ti粉和Si粉的粒径独立地为3～10μm。
优选的，所述纳米金刚石的粒径为2～100nm。
优选的，所述球磨的球料比为20:1；所述球磨的转速为350～450r/min；所述球磨的时间在120min以上。
优选的，所述微米金刚石的粒径为0.5～40μm。
优选的，所述混合料中结合剂料的质量含量为10～40％。
优选的，所述预压的压力为100～200MPa。
优选的，所述预压的保压时间在10min以上。
本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的聚晶金刚石，包括微米金刚石、纳米金刚石、TiC、Ti3SiC2、SiC和TiSi相。
优选的，所述TiSi相包括TiSi2相和/或Ti5Si3相。
本发明提供了一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石的制备方法，包括以下步骤：将Ti粉、Si粉和纳米金刚石进行球磨，发生机械合金化，得到结合剂料；所述Ti粉和Si粉的摩尔比值等于3；所述纳米金刚石和Si粉的摩尔比值＞2且≤5；将所述结合剂料与微米金刚石混合，得到混合料；将所述混合料进行预压，得到预压坯；将所述预压坯进行高温高压烧结，得到原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石；所述高温高压烧结包括依次进行第一高温高压烧结和第二高温高压烧结；所述第一高温高压烧结的温度为1100～1300℃，保温时间为5～15min；所述第二高温高压烧结的温度为1350～1500℃，保温时间为5～40min；所述第一高温高压烧结和第二高温高压烧结的压力独立为5.5GPa以上。
本发明将Ti粉、Si粉和纳米金刚石进行球磨，不但使各粉体均匀细化，而且被强制发生机械合金化，有利于各粉体更充分的接触，同时细化后的粉末颗粒表面新鲜，比表面积增大，有利于烧结过程中反应更充分，为避免残留单质Ti和Si提供保障；本申请中的原位反应分为两个阶段进行：第一高温高压烧结阶段，Ti-Si-纳米金刚石反应生成Ti3SiC2及少量的TiC、SiC，并且由于纳米金刚石过量加入，避免了反应后残留单质Ti和Si，同时会有部分纳米金刚石剩余并以金刚石结构保留下来，第一高温高压烧结阶段反应的方程式为：3Ti+Si+2C→Ti3SiC2；Ti+C→TiC；Si+C→SiC。在第二高温高压烧结阶段，第一阶段生成的化合物Ti3SiC2发生大部分分解，形成第二阶段化合物TiC、SiC和少量的TiSi相；反应的方程式如下：Ti3SiC2→TiC+SiC+TiSi。
由于纳米金刚石的过量加入及高压环境，使得这些纳米金刚石在与Ti、Si反应后有剩余并能以金刚石结构留存。这些留存的纳米金刚石分布在反应生成物的任何部位，使这些部位由于留存的纳米金刚石的存在而使硬度提高，解决了传统制备PCD方法的添加Si、Ti、B、Ni等易在远离金刚石的“棚架区”残留未反应完全的Ti、Si及其化合物从而留下软点的问题。剩余部分纳米金刚石还可以兼作磨料。
此外，在高温高压条件下可留存少量Ti3SiC2相，提高了PCD的韧性；少量的Ti3SiC2还具有自润滑作用。
上述两个阶段的形成、分解过程使化合物的晶粒度更为细腻，有利于提高PCD的强度和韧性。
附图说明
图1为实施例5制备的聚晶金刚石的SEM图；
图2为图1的局部放大图；
图3为实施例5、实施例9和实施例2制备的聚晶金刚石的XRD图；
图4为实施例6、7、8和10制备的聚晶金刚石的XRD图。
具体实施方式
本发明提供了一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石的制备方法，包括以下步骤：
将Ti粉、Si粉和纳米金刚石进行球磨，发生机械合金化，得到结合剂料；所述Ti粉和Si粉的摩尔比值等于3；所述纳米金刚石和Si粉的摩尔比值＞2且≤5；
将所述结合剂料与微米金刚石混合，得到混合料；
将所述混合料进行预压，得到预压坯；
将所述预压坯进行高温高压烧结，得到原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石；
所述高温高压烧结包括依次进行第一高温高压烧结和第二高温高压烧结；所述第一高温高压烧结的温度为1100～1300℃，保温时间为5～15min；所述第二高温高压烧结的温度为1350～1500℃，保温时间为5～40min；
所述第一高温高压烧结和第二高温高压烧结的压力独立为5.5GPa以上。
在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。
本发明将Ti粉、Si粉和纳米金刚石进行球磨，发生机械合金化，得到结合剂料。
在本发明中，所述Ti粉和Si粉的粒径独立地优选为3～10μm，更优选为5～8μm，进一步优选为6～7μm。
在本发明中，所述纳米金刚石的粒径优选为2～100nm，更优选为2～12nm或100nm。
在本发明中，所述Ti粉和Si粉的摩尔比值等于3；所述纳米金刚石和Si粉的摩尔比值＞2且≤5，优选为3～5，更优选为3.5～4.5。本发明通过控制Ti粉、Si粉和纳米金刚石的摩尔比在上述范围，使得纳米金刚石过量，从而保证有部分纳米金刚石留存。
在本发明中，所述球磨的球料比优选为20:1；所述球磨的转速优选为350～450r/min，更优选为400r/min；所述球磨的时间优选为120min以上，更优选为120min。本发明优选采用行星球磨机进行球磨。
本发明将Ti粉、Si粉和纳米金刚石进行球磨，不但使各粉体均匀细化，而且被强制发生机械合金化，有利于各粉体更充分的接触，同时细化后的粉末颗粒表面新鲜，比表面积增大，有利于烧结过程中反应更充分，为避免残留单质Ti和Si提供保障。
得到结合剂料后，本发明将所述结合剂料与微米金刚石混合，得到混合料。
在本发明中，所述微米金刚石的粒径优选为0.5～40μm，更优选为5～35μm，进一步优选为10～30μm。
本发明对所述混合的过程没有特殊要求，能够将各物料混合均匀即可，具体的可以采用球磨。在本发明中，所述混合料中结合剂料的质量含量优选为10～40％，更优选为15～35％，进一步优选为20～30％。
得到混合料后，本发明将混合料进行预压，得到预压坯。在本发明中，所述预压的压力优选为100～200MPa，更优选为120～180MPa，进一步优选为130～160MPa；所述预压的时间优选为10min以上，更优选为10min。本发明优选在液压机中进行所述预压。本发明通过预压使预压坯尽量致密，有利于高温高压烧结。
得到预压坯后，本发明将所述预压坯进行高温高压烧结，得到原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石。
在本发明中，所述高温高压烧结包括：依次进行第一高温高压烧结和第二高温高压烧结；所述第一高温高压烧结的温度为1100～1300℃，保温时间为5～15min；所述第二高温高压烧结的温度为1350～1500℃，保温时间为5～40min。
作为优选的方案，所述第一高温高压烧结的温度优选为1150～1250℃，保温时间优选为10min；所述第二高温高压烧结的温度优选为1400～1450℃，保温时间优选为10～30min。
在本发明中，所述第一高温高压烧结和第二高温高压烧结的压力独立为5.5GPa以上，更优选为5.5～7.0GPa。在本发明中，所述第一高温高压烧结和第二高温高压烧结的压力优选相同。
本发明优选将预压坯按照高温高压烧结的需要与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，然后将所述组装体置于高压压机的顶砧上进行高温高压烧结。本发明对所述组装的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的组装过程即可。
本发明优选先在10～20min内将压力上升至第一高温高压烧结的压力，然后以10～100℃/min的升温速率将温度升至第一高温高压烧结的温度，保温5～15min；自第一高温高压烧结的温度继续升温至第二高温高压烧结的温度，在目标压力与温度下保持5～40min，随后同步将温度和压力降至低于60℃和大气压力，停机并取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
本发明在所述第一高温高压烧结阶段，Ti-Si-纳米金刚石反应形成Ti3SiC2及少量的TiC、SiC，并且由于纳米金刚石过量加入，避免了反应后残留单质Ti和Si，同时会有部分纳米金刚石剩余，Ti3SiC2为第一高温高压烧结阶段的主要的化合物；反应的方程式为：
3Ti+Si+2C→Ti3SiC2；
Ti+C→TiC；
Si+C→SiC。
在第二高温高压烧结阶段，第一阶段生成的化合物Ti3SiC2发生大部分分解，形成第二阶段化合物TiC、SiC和少量的TiSi相；反应的方程式如下：
Ti3SiC2→TiC+SiC+TiSi。
由于纳米金刚石的过量加入及高压环境，使得这些纳米金刚石在与Ti、Si反应后有剩余并可留存。这些留存的纳米金刚石分布在反应生成物的任何部位，使这些部位由于留存的纳米金刚石的存在而使硬度提高，解决了传统制备PCD方法的添加Si、Ti、B、Ni等易在远离金刚石的“棚架区”残留未反应完全的Ti、Si及其化合物从而留下软点的问题。剩余部分纳米金刚石还可以兼作磨料。
本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的聚晶金刚石，包括微米金刚石、纳米金刚石、TiC、Ti3SiC2、SiC和TiSi相。所述TiSi相优选包括TiSi2相和/或Ti5Si3相。本发明所述纳米金刚石分布到聚晶金刚石的棚架区，避免了聚晶金刚石留下软点，Ti3SiC2相的存在提高了PCD的韧性，同时还具有自润滑作用。
下面结合实施例对本发明提供的原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例所用Ti粉的粒径为3～10μm，所用Si粉的粒径为3～10μm。
实施例1
(1)结合剂料35克，按照摩尔比Ti:Si:纳米金刚石＝3:1:3配比(其中纳米金刚石粒径为2～12纳米的占质量比20％，粒径100纳米占比80％)；微米金刚石65g(其中粒径10微米35g，6微米20g，0.5微米10g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，球料比为20:1，以350r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力100MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在20min内将压力升高至6GPa，然后以20℃/min的升温速率将温度升至1250℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1350℃，并在此压力、温度下保持30min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
实施例2
(1)结合剂料40克，按照摩尔比Ti:Si:纳米金刚石＝3:1:5配比(其中纳米金刚石粒径为2～12纳米的占质量比40％，粒径100纳米占比60％)，微米金刚石60g(其中粒径10微米35g，6微米20g，0.5微米5g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，球料比为20:1，以350r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力200MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将所述预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在20min内将压力升高至7GPa，然后以10℃/min的升温速率将温度升至1150℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1400℃，并在此压力、温度下保持15min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
实施例3
(1)结合剂料10克，按照摩尔比Ti:Si:纳米金刚石＝3:1:5配比(其中纳米金刚石粒径为100纳米)，微米金刚石90g(其中粒径40微米40g，25微米25g，10微米15g，6微米10g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，球料比为20:1，以350r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力100MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将所述预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在30min内将压力升高至7GPa，然后以10℃/min的升温速率将温度升至1200℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1450℃，并在此压力、温度下保持40min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
实施例4
(1)结合剂料40克，按照摩尔比Ti:Si:纳米金刚石＝3:1:5配比(其中纳米金刚石粒径为2～12纳米的占质量比10％，粒径100纳米占比90％)，微米金刚石60g(其中粒径10微米30g，6微米20g，0.5微米10g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，球料比为20:1，以350r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力200MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将所述预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在10min内将压力升高至5.5GPa，然后以100℃/min的升温速率将温度升至1100℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1450℃，并在此压力、温度下保持40min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
实施例5
(1)结合剂料20克，按照摩尔比Ti:Si:纳米金刚石＝3:1:5配比(其中纳米金刚石粒径为2～12纳米的占质量比20％，粒径100纳米占比80％)，微米金刚石80g(其中粒径10微米40g，6微米25g，3微米10g，0.5微米5g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，球料比为20:1，以350r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力200MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将所述预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在10min内将压力升高至6.5GPa，然后以50℃/min的升温速率将温度升至1250℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1500℃，并在此压力、温度下保持40min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
实施例6
(1)结合剂料40克，按照摩尔比Ti:Si:纳米金刚石＝3:1:4配比(其中纳米金刚石粒径为2～12纳米的占质量比40％，粒径100纳米占比60％)，微米金刚石60g(其中粒径10微米30g，6微米20g，0.5微米10g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，球料比为20:1，以400r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力200MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将所述预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在20min内将压力升高至7GPa，然后以100℃/min的升温速率将温度升至1200℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1400℃，并在此压力、温度下保持10min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
实施例7
(1)结合剂料20g，按照摩尔比Ti:Si:纳米金刚石＝3:1:3配比(其中纳米金刚石粒径为2～12纳米的占质量比40％，粒径100纳米占比60％)，微米金刚石80g(其中粒径10微米40g，6微米25g，3微米10g，0.5微米5g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，以400r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力100MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将所述预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在20min内将压力升高至6.5GPa，然后以50℃/min的升温速率将温度升至1150℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1450℃，并在此压力、温度下保持10min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
实施例8
(1)结合剂料30g，按照摩尔比Ti:Si:C＝3:1:4配比，微米金刚石70g(其中粒径10微米32g，6微米20g，3微米15g，0.5微米3g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，球料比为20:1，以400r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力200MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将所述预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在10min内将压力升高至6.5GPa，然后以30℃/min的升温速率将温度升至1150℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1350℃，并在此压力、温度下保持20min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
实施例9
(1)结合剂料20克，按照摩尔比Ti:Si:纳米金刚石＝3:1:5配比(其中纳米金刚石粒径为2～12纳米的占质量比20％，粒径100纳米占比80％)，微米金刚石80g(其中粒径10微米40g，6微米25g，3微米10g，0.5微米5g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，球料比为20:1，以400r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力200MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将所述预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在10min内将压力升高至6.5GPa，然后以50℃/min的升温速率将温度升至1250℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1450℃，并在此压力、温度下保持40min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
实施例10
(1)结合剂料30g，按照摩尔比Ti:Si:纳米金刚石＝3:1:4配比(其中纳米金刚石粒径为2～12纳米的占质量比20％，粒径100纳米占比80％)，微米金刚石70g(其中粒径10微米32g，6微米20g，3微米15g，0.5微米3g)；首先将称量的钛粉与硅粉及纳米金刚石混合，在手套箱氩气条件下装入球磨罐中并密封；取出放入行星球磨机中，球料比为20:1，以450r/min机械混合120min，发生机械合金化制成结合剂料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，放入称量的微米金刚石，并与所述结合剂料刮拌均匀，机械球磨混合20min，制成混合料；停机后取下球磨罐，在手套箱氩气条件下打开，取出制备好的混合料，备用；
(2)将所述混合料取出并按需要称量，装入Ti管并两端封堵；放入金属模具中，在液压机预压成型，压力200MPa，室温，制备成预压坯；
(3)将所述预压坯按照通常聚晶金刚石制备方法，与传压介质、加热用碳管、导电钢圈及石墨垫片等组装成为组装体，放在六面顶压机的顶砧位置并施加高温高压。高温高压工艺流程为：先在10min内将压力升高至6.0GPa，然后以30℃/min的升温速率将温度升至1150℃，并在目标压力与温度下保持10min；然后继续升温至1500℃，并在此压力、温度下保持10min，随后同步将温度和压力降至60℃及大气环境压力，停机取出组装体，得到聚晶金刚石坯料，打磨后得到结构致密的聚晶金刚石。
结构测试：
1、对实施例5制备的聚晶金刚石进行扫描电镜观察，结果如图1所示。图1中的白色大颗粒为微米金刚石，圈中区域为棚架区，由图1可知，棚架区填充了大量的纳米金刚石。
图2为图1的局部放大图，可以更直观的看到纳米金刚石填充到棚架区。
2、对实施例5、实施例9和实施例2制备的聚晶金刚石进行XRD测试，结果如图3所示，图3中，1400℃对应实施例2、1450℃对应实施例9、1500℃对应实施例5，图3可知，本发明制备的聚晶金刚石由金刚石、TiC、Ti3SiC2及Ti5Si3相组成，并没有残留单质Ti和单质Si。由于SiC的含量较低，导致XRD检测不到，故在图3中未发现SiC的特征峰。
3、对实施例6、7、8和10制备的聚晶金刚石进行XRD测试，结果如图4所示，图4中，1350℃对应实施例8、1400℃对应实施例6、1450℃对应实施例7、1500℃对应实施例10，由图4可知，发明制备的聚晶金刚石由金刚石、TiC、SiC、Ti3SiC2及Ti5Si3化合物组成，并没有残留单质Ti和单质Si。
由以上实施例可知，本发明提供了一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石及其制备方法，解决了传统制备PCD方法的添加Si、Ti、B、Ni等易在金刚石的“棚架区”域残留未反应完全的Ti、Si及其化合物从而留下软点的问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将Ti粉、Si粉和纳米金刚石进行球磨，发生机械合金化，得到结合剂料；所述Ti粉和Si粉的摩尔比值等于3；所述纳米金刚石和Si粉的摩尔比值＞2且≤5；
将所述结合剂料与微米金刚石混合，得到混合料；
将所述混合料进行预压，得到预压坯；
将所述预压坯进行高温高压烧结，得到原位反应生成化合物结合的聚晶金刚石；
所述高温高压烧结包括：依次进行第一高温高压烧结和第二高温高压烧结；所述第一高温高压烧结的温度为1100～1300℃，保温时间为5～15min；所述第二高温高压烧结的温度为1350～1500℃，保温时间为5～40min；
所述第一高温高压烧结和第二高温高压烧结的压力独立为5.5GPa以上。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ti粉和Si粉的粒径独立地为3～10μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米金刚石的粒径为2～100nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的球料比为20:1；所述球磨的转速为350～450r/min；所述球磨的时间在120min以上。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微米金刚石的粒径为0.5～40μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合料中结合剂料的质量含量为10～40％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预压的压力为100～200MPa。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述预压的保压时间在10min以上。
9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的聚晶金刚石，包括微米金刚石、纳米金刚石、TiC、Ti3SiC2、SiC和TiSi相。
10.根据权利要求9所述的聚晶金刚石，其特征在于，所述TiSi相包括TiSi2相和/或Ti5Si3相。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101624287A (zh) * 2009-08-07 2010-01-13 陕西科技大学 一种Ti3SiC2陶瓷材料的制备方法
CN102114617A (zh) * 2010-12-06 2011-07-06 中原工学院 一种Ti3SiC2基陶瓷结合剂金刚石磨削工具及制备方法
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Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101624287A (zh) * 2009-08-07 2010-01-13 陕西科技大学 一种Ti3SiC2陶瓷材料的制备方法
CN102114617A (zh) * 2010-12-06 2011-07-06 中原工学院 一种Ti3SiC2基陶瓷结合剂金刚石磨削工具及制备方法
GB201311714D0 (en) * 2013-06-30 2013-08-14 Element Six Abrasives Sa Superhard constructions & methods of making same

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Effect of controllable decomposition of MAX phase (Ti3SiC2) on mechanical properties of rapidly sintered polycrystalline diamond by HPHT;Xiaoxin Lv等;《Ceramic International》;20190531;全文 *
Preparation of materials based on Ti–Si–C system using high temperature–high pressure method;L. Jaworska等;《Journal of Materials Processing Technology》;20051231;全文 *
硅钛结合剂聚晶金刚石的制备与性能;刘磊等;《金刚石与磨料磨具工程》;20150831;全文 *

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