一种制备聚晶金刚石烧结体的方法 [0001]【技术领域】[0002]本发明属于金刚石工具制备【技术领域】，特别涉及一种制备聚晶金刚石烧结体的方法。[0003]金刚石是世界上已知最硬的超硬材料，广泛应用于锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削刀具。由于金刚石在硬度、耐磨性以及导热性等方面的优异性能，使得很多原来很难加工或不能加工的对象，采用金刚石工具以后实现了高质量、高效率的加工。制备金刚石工具，如刀具、拉丝模、钻进工具等，除了使用天然大颗粒金刚石单晶以外，目前最常采用的方法是把金刚石微粉与金属、陶瓷等与几种结合剂混合一起经高压高温烧结而成，或把金刚石微粉与陶瓷、树脂结合剂经热压烧结制成。[0004]聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,简称PCD)具有金刚石单晶的大部分性能，但是克服了金刚石单晶晶面方向性解理的缺点。聚晶金刚石不仅具有金刚石单晶所固有的卓越性能，还具有各向同性的优点，在生产加工制备金刚石工具时表现出以下一些优良特性。(I)在聚晶金刚石中，晶粒呈无序排列，呈现各向同性，无解理面。因而，它不像单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性上有很大差异，以及因解理面的存在而呈现脆性。(2)合成大块聚晶金刚石要比合成大单晶金刚石简单，因而可制成大块聚晶金刚石或其工具坯料，以便满足大型加工刀具的需要。(3)可以制成特定形状，以适合不同的用途。(4)可以设计或预测产品的性能赋予产品必要的特点以适应它的特定用途。如，选择细粒度的聚晶金刚石刀具材料可使刀具的刃口质量提高；选择粗粒度的聚晶金刚石刀具材料可使刀具的耐用度提高等。因此，聚晶金刚石在工业生产中得到了广泛的应用，常常用于锯切工具、切削刀具、木材加工刀具、拉丝模、修整工具、石油地质钻头、煤炭开采钻头、麻花钻头、耐磨器件以及聚晶金刚石散热片等工业`用途。[0005]聚晶金刚石烧结体是由金刚石单晶或金刚石微粉在加入粘结剂或者不加任何粘结剂的条件下，经超高压高温烧结制得的。聚晶金刚石烧结体坯料主要有三种，一种是整体纯聚晶金刚石烧结片；第二种是以聚晶金刚石为聚晶层，以硬质合金为基体经高温高压共同烧结而成的复合片；第三种是先烧结制备聚晶金刚石坯料，再焊接到硬质合金上而制备成。[0006]关于聚晶金刚石的专利文献很多，如中国专利CN10229693IB、CN102126257B、CN101773807B。中国专利CN101723358B将预先制备的纳米-圆葱头碳粉末装填于石墨模具中，高压高温制备得到金刚石聚晶烧结体。中国专利CN102174877B公开了一种聚晶金刚石复合片。但采用高压高温法制备金刚石工具烧结体，也具有一些不足之处，如:能耗高，操作复杂，制造成本高等，特别是受到高压合成腔体的限制，如采用高压高温二次合成不能制备得到大尺寸的烧结体工具，因此应用受到一定的限制。
[0007]本发明的目的是提供一种制备聚晶金刚石烧结体的方法，所述方法可以克服现有方法受高压合成腔体尺寸限制，不能得到大尺寸烧结体的缺陷。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:
一种制备聚晶金刚石烧结体的方法，先将制备聚晶金刚石的原料混合压制为试块，然后采用微波进行加热烧结并冷却，得到聚晶金刚石烧结体。
[0009]制备聚晶金刚石的原料为表面包覆莫来石的金刚石微粉、硅粉、短切碳纤维以及酚醛树脂粘结剂。
[0010]所述硅粉在使用前最好经真空净化处理以除去其中的杂质。
[0011]原料的质量百分比为:表面包覆莫来石的金刚石微粉50~90%、硅粉5~40%、短切碳纤维2~5%，余量为酚醛树脂粘结剂。
[0012]所述短切碳纤维的长度为3~10mm。
[0013]表面包覆莫来石的金刚石微粉通过下法获得:将异丙醇铝和正硅酸乙酯以及盐酸催化剂在水介质中进行聚合反应，在75~85°C聚合2~72 h，得到透明的莫来石前驱体溶胶；把前躯体溶胶在50~60°C进行陈化浓缩，然后加入净化处理后的目数在40~400目金刚石粉体，再经原位溶胶化过程和凝胶化，烘干得到表面包覆莫来石的金刚石。
[0014]异丙醇铝和正硅酸乙酯按照莫来石化学成分3A1203.2Si02化学计量式(即铝硅摩尔比为3:1)设定所加入的配比，聚合反应体系中盐酸催化剂加入的摩尔量为铝硅总摩尔量的I~2%，水的物质的量与铝硅总的物质的量的比为8~14:1。聚合反应优选在不锈钢或玻璃质聚合反应爸中进行。`
[0015]所用短切碳纤维优选为表面包覆莫来石的短切碳纤维，表面包覆莫来石的方法同表面包覆莫来石的金刚石微粉的制备方法。
[0016]采用微波进行加热烧结时，微波烧结温度为1300~1400°C，烧结保温时间30~I IOmin。具体可采用远红外测温。
[0017]微波功率20KW，微波频率915±50MHz ;微波馈入方式采用铝合金波导组合馈入，二端合理布局馈入，可使腔体里场强分布均匀，驻波比小。
[0018]微波腔体采用水循环冷却；进入加热腔体的物料可采用封闭转盘式运动装置输入，当然也可以通过人工放置于微波腔体中，加热腔体中通入氮气、氩气或氢气保护气体。
[0019]微波腔体外壁尺寸:1400mm X 1400mm X 1400mm ;微波腔体内壁尺寸:1200mmX 1200mmX 1200mm ;微波炉体尺寸:1500_X 1500_X2000_ ;微波腔体内壁与加强筋为8_不锈钢、外壁为2mm不锈钢。当然并不限于如上尺寸，具体尺寸可根据制备需求选择相应的微波加热设备。
[0020]获得的聚晶金刚石烧结体，可以根据不同的应用领域，经过切割、加工和打磨，制成用于锯切工具的锯片材料，或用于切削工具的刀片材料。
[0021]本发明采用微波烧结技术，在常压条件下，高温烧结合成了具有适中强度和硬度的聚晶金刚石烧结体。微波烧结不同于高压高温电加热进行聚晶金刚石的烧结来制备烧结体，微波烧结是利用微波特殊波段与被加热材料对象的基本结构耦合而产生热量，把微波能转化为分子的动能和热能，材料的介质损耗使材料整体加热，因而具有加热均匀，升温速度快，加热效率高，保温时间短，能耗低，操作简单，成本低等许多优势，尤其是不受六面顶压机高压合成腔体的尺寸限制，容易烧结大尺寸以及异形结构的聚晶金刚石烧结体。
[0022]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
本发明具有加热均匀，升温速度快，加热效率高，保温时间短，能耗低，操作简单，成本低等优势，尤其是不受六面顶压机高压合成腔体的尺寸限制，便于烧结制备大尺寸以及异形结构的聚晶金刚石烧结体，具有巨大的经济效益和社会效益。

[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]实施例1
将异丙醇铝和正硅酸乙酯(按照铝硅摩尔比为3:1加入，下同)、盐酸催化剂(盐酸催化剂占娃招反应物的摩尔分数为1.2%)、水(与招娃反应物的摩尔比为10:1)加入玻璃质聚合反应釜，在80°C下反应聚合70 h，得到透明的莫来石前驱体溶胶。把上述溶胶在60°C进行陈化浓缩，然后加入长度为5mm的短切碳纤维和净化处理后的目数在300目金刚石粉体，再经原位溶胶化过程和凝胶化，烘干得到能耐高温抗氧化表面包覆莫来石的金刚石和短切碳纤维。
[0025]把包覆后金刚石微粉和短切碳纤维，硅粉以及酚醛树脂粘结剂，按照以下质量分数进行混合:包覆后金刚石微粉60%、硅粉35%、短切碳纤维3%，余量为酚醛树脂粘结剂。
[0026]把上述原料微粉按设定比例进行混合均匀，模压压制成型试块，采用微波进行加热烧结。微波烧结条件是:微波功率20KW ;微波频率915±50MHz ;微波馈入方式采用铝合金波导组合馈入，二端合理布局馈入，使腔`体里场强分布均匀，驻波比小；微波腔体材质内壁与加强筋为8mm不锈钢、外壁为2mm不锈钢；微波腔体采用水循环冷却；微波腔体外壁尺寸:1400mmX1400mmX 1400mm ;微波腔体内壁尺寸:1200_X 1200_X 1200mm ;微波炉体尺寸:1500mmX1500mmX2000mm ;出入真空加热腔体的物料采用封闭转盘式运动装置输入输出，通入氩气保护气体；远红外测温，微波烧结温度1300°C;烧结保温时间80min。微波烧结后，采用自然冷却，得到聚晶金刚石烧结体。
[0027]上述方法制备得到的聚晶金刚石烧结体显微硬度为HV8250±45，三点弯曲法测试抗弯强度为778±38MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为41880±650。
[0028]实施例2
将异丙醇铝和正硅酸乙酯和盐酸催化剂在水介质中按照反应设定的配比(同实施例1)加入不锈钢聚合反应釜，在80°C下反应聚合62 h，得到透明的莫来石前驱体溶胶。把上述溶胶在58°C进行陈化浓缩，然后加入长度为6mm的短切碳纤维和净化处理后的目数在350目金刚石粉体，再经原位溶胶化过程和凝胶化，烘干得到能耐高温抗氧化表面包覆莫来石的金刚石和短切碳纤维。
[0029]把包覆后金刚石微粉和短切碳纤维，硅粉以及酚醛树脂粘结剂，分别按照以下质量分数进行混合:包覆后金刚石微粉60%、硅粉35%、短切碳纤维3%，余量为酚醛树脂粘结剂。[0030]把上述原料微粉按设定比例进行混合均匀，模压压制成型试块，采用微波进行加热烧结。微波烧结条件是:微波功率20KW ;微波频率915±50MHz ;微波馈入方式采用铝合金波导组合馈入，二端合理布局馈入，使腔体里场强分布均匀，驻波比小；微波腔体材质内壁与加强筋为8mm不锈钢、外壁为2mm不锈钢；微波腔体采用水循环冷却；微波腔体外壁尺寸:1400mmX 1400mmX 1400mm ;微波腔体内壁尺寸:1200_X 1200_X 1200mm ;微波炉体尺寸:1500mmX 1500mmX2000mm ;真空加热腔体物料采用封闭转盘式运动装置，通入氩气保护气体；远红外测温，微波烧结温度1400°C;烧结保温时间60min。微波烧结后，采用自然冷却，得到聚晶金刚石烧结体。
[0031]上述方法制备得到的聚晶金刚石烧结体显微硬度为HV7850±45，三点弯曲法测试抗弯强度为801±42MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为42220±660。
[0032]实施例3 将异丙醇铝和正硅酸乙酯和盐酸催化剂在水介质中按照反应设定的配比(同实施例1)加入不锈钢聚合反应釜，在80°C下反应聚合62 h，得到透明的莫来石前驱体溶胶。把上述溶胶在58°C进行陈化浓缩，然后加入长度为6mm的短切碳纤维和净化处理后的目数在350目金刚石粉体，再经原位溶胶化过程和凝胶化，烘干得到能耐高温抗氧化表面包覆莫来石的金刚石和短切碳纤维。
[0033]把包覆后金刚石微粉和短切碳纤维，硅粉以及酚醛树脂粘结剂，分别按照以下质量分数进行混合:包覆后金刚石微粉80%、硅粉16%、短切碳纤维2%，余量为酚醛树脂粘结剂。
[0034]把上述原料微粉按设定比例进行混合均匀，模压压制成型试块，采用微波进行加热烧结。微波烧结条件是:微波功率20KW ;微波频率915±50MHz ;微波馈入方式采用铝合金波导组合馈入，二端合理布局馈入，使腔体里场强分布均匀，驻波比小；微波腔体材质内壁与加强筋为8mm不锈钢、外壁为2mm不锈钢；微波腔体采用水循环冷却；微波腔体外壁尺寸:1400mmX 1400mmX 1400mm ;微波腔体内壁尺寸:1200_X 1200_X 1200mm ;微波炉体尺寸:1500mmX 1500mmX2000mm ;真空加热腔体物料采用封闭转盘式运动装置，通入氩气保护气体；远红外测温，微波烧结温度1400°C;烧结保温时间60min。微波烧结后，采用自然冷却，得到聚晶金刚石烧结体。
[0035]上述方法制备得到的聚晶金刚石烧结体显微硬度为HV8906±50，三点弯曲法测试抗弯强度为821±44MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为50020±480。
[0036]实施例4
将异丙醇铝和正硅酸乙酯和盐酸催化剂在水介质中按照反应设定的配比(同实施例1)，加入不锈钢聚合反应爸，在80°C下反应聚合70 h,得到透明的莫来石前驱体溶胶。把上述溶胶在58°C进行陈化浓缩，然后加入长度为8mm的短切碳纤维和净化处理后的目数在400目金刚石粉体，再经原位溶胶化过程和凝胶化，烘干得到能耐高温抗氧化表面包覆莫来石的金刚石和短切碳纤维。
[0037]把包覆后金刚石微粉和短切碳纤维，硅粉以及酚醛树脂粘结剂，分别按照以下质量分数进行混合:包覆后金刚石微粉70%、硅粉25%、短切碳纤维3%，余量为酚醛树脂粘结剂。
[0038]把上述原料微粉按设定比例进行混合均匀，模压压制成型试块，采用微波进行加热烧结。微波烧结条件是:微波功率20KW ;微波频率915±50MHz ;微波馈入方式采用铝合金波导组合馈入，二端合理布局馈入，使腔体里场强分布均匀，驻波比小；微波腔体材质内壁与加强筋为8mm不锈钢、外壁为2mm不锈钢；微波腔体采用水循环冷却；微波腔体外壁尺寸:1400mmX 1400mmX 1400mm ;微波腔体内壁尺寸:1200mmX 1200mmX 1200mm ;微波炉体尺寸:1500mmX 1500mmX2000mm ;真空加热腔体物料采用封闭转盘式运动装置，通入氩气保护气体；远红外测温，微波烧结温度1350°C;烧结保温时间70min。微波烧结后，采用自然冷却，得到聚晶金刚石烧结体。
[0039]上述方法制备得到的聚晶金刚石烧结体显微硬度为HV8062±46，三点弯曲法测试抗弯强度为746±41MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为49820±460。
[0040]实施例5
将异丙醇铝和正硅酸乙酯和盐酸催化剂在水介质中按照反应设定的配比(同实施例1)，加入不锈钢聚合反应爸，在80°C下反应聚合62 h,得到透明的莫来石前驱体溶胶。把上述溶胶在58°C进行陈化浓缩，然后加入长度为6mm的短切碳纤维和净化处理后的目数在350目金刚石粉体，再经原位溶胶化过程和凝胶化，烘干得到能耐高温抗氧化表面包覆莫来石的金刚石和短切碳纤维。
[0041]把包覆后金刚石微粉和短切碳纤维，硅粉以及酚醛树脂粘结剂，分别按照以下质量分数进行混合:包覆后金刚石微粉90%、硅粉6%、短切碳纤维3%，余量为酚醛树脂粘结剂。
[0042]把上述原料微粉按设定比例进行混合均匀，模压压制成型试块，采用微波进行加热烧结。微波烧结条件是:微波功率20KW ;微波频率915±50MHz ;微波馈入方式采用铝合金波导组合馈入，二端合理布局馈入，使腔体里场强分布均匀，驻波比小；微波腔体材质内壁与加强筋为8mm不锈钢、外壁为2mm不锈钢；微波腔体采用水循环冷却；微波腔体外壁尺寸:1400mmX1400mmX 1400mm ;微波腔体内壁尺寸:1200_X 1200_X 1200mm ;微波炉体尺寸:1500mmX1500mmX2000mm;真空加热腔体物料采用封闭转盘式运动装置，通入氩气保护气体；远红外测温，微波烧结温度1300`°C;烧结保温时间85min。微波烧结后，采用自然冷却，得到聚晶金刚石烧结体。
[0043]上述方法制备得到的聚晶金刚石烧结体显微硬度为HV6967±55，三点弯曲法测试抗弯强度为765±45MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为47729±510。
[0044]实施例6
将异丙醇铝和正硅酸乙酯和盐酸催化剂在水介质中按照反应设定的配比(同实施例
1)，加入不锈钢聚合反应釜，在设定温度80°C下反应聚合62 h，得到透明的莫来石前驱体溶胶。把上述溶胶在58°C进行陈化浓缩，然后加入净化处理后的目数在350目金刚石粉体，再经原位溶胶化过程和凝胶化，烘干得到能耐高温抗氧化表面包覆莫来石的金刚石。
[0045]把包覆后金刚石微粉和硅粉，分别按照以下不同的的质量分数进行混合:包覆后金刚石微粉80%、硅粉20%。
[0046]把上述原料微粉按设定比例进行混合均匀，模压压制成型试块，采用微波进行加热烧结。微波烧结条件是:微波功率20KW ;微波频率915±50MHz ;微波馈入方式采用铝合金波导组合馈入，二端合理布局馈入，使腔体里场强分布均匀，驻波比小；微波腔体材质内壁与加强筋为8mm不锈钢、外壁为2mm不锈钢；微波腔体采用水循环冷却；微波腔体外壁尺寸:1400mmX 1400mmX 1400mm ;微波腔体内壁尺寸:1200_X 1200_X 1200mm ;微波炉体尺寸:1500mmX 1500mmX2000mm ;真空加热腔体物料采用封闭转盘式运动装置，通入氩气保护气体；远红外测温，微波烧结温度1400°C;烧结保温时间60min。微波烧结后，采用自然冷却，得到聚晶金刚石烧结体。
[0047]上述方法制备得到的聚晶金刚石烧结体显微硬度为HV8935±35，三点弯曲法测试抗弯强度为865±35MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为52030±460。
[0048]对比例
采用高压高温法制备聚晶金刚石烧结体。把制备聚晶金刚石烧结体所用的原料，净化处理后的目数在350目的金刚石微粉和硅粉，分别按照以下不同的的质量分数进行混合:金刚石微粉80%、硅粉20%。上述原料微粉按设定比例进行混合均匀，组装成块，放进石墨模具，最后装入叶腊石腔体，封头，装配成合成块，烘箱中干燥，再通过超高压高温烧结在一起形成聚晶硬质合金复合片。烧结的具体条件是采用六面顶压机设备进行合成，压力为5.5GPa，温度1450°C，合成时间16min。
[0049]上述方法制备得到的聚晶金刚石烧结体显微硬度为HV9150±45，三点弯曲法测试抗弯强度为908±45MPa，采用标准JB/T3235-1999测试磨耗比为87090±560。