氮化硼增韌金剛石聚晶制造方法
【專利摘要】將硼的化合物[B5H9、或B6H10、或B9H15、或B10H14、或碳十硼烷溶于溶劑中，按照計算量加入金剛石微粉（用兩種粒徑的微粉混合而成；粗粉粒徑8-14微米；細(xì)粉粒徑0.5-2.5微米；粗粉/細(xì)粉=3/1-5/1），攪拌均勻，除去溶劑。將涂覆過的金剛石微粉填入鋯杯中，壓緊密，再將其和碳化鎢合金片一起放入鉬杯，壓實(shí)，再與食鹽管、絕緣管、石墨管加熱元件粉壓塊等組裝，放入六面頂壓機(jī)，于1480-1550℃，5-5.5GPa進(jìn)行等靜壓燒結(jié)，形成聚晶金剛石復(fù)合片。該方法制造的金剛石聚晶復(fù)合片具有較高的耐熱性能和耐磨性能。
【專利說明】氮化硼增韌金剛石聚晶制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種利用金剛石微粉添加微量硼元素通過六面頂合成技術(shù)制造高韌性金剛石聚晶的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人造金剛石聚晶是將金剛石粉體、鈷微粉結(jié)合劑在高溫和超高壓下燒結(jié)形成成的金剛石晶粒聚集體，它具有極高的耐熱性和很高的熱穩(wěn)定性。廣泛應(yīng)用于制造地質(zhì)勘探鉆頭，石油打井鉆頭，隧道掘進(jìn)鉆頭，煤炭開采鉆頭，鉆石加工和機(jī)械加工工具等。復(fù)合片因其本身的優(yōu)越性，在國內(nèi)外競相研制和生產(chǎn)，而且品種規(guī)格很多。美國GE公司是最先推出復(fù)合片的生產(chǎn)廠家，它的主要產(chǎn)品有compax,后又生產(chǎn)出stratapax,其耐磨性比硬質(zhì)合金高約100?150倍，可與天然金剛石媲美。日本、韓國、南非、歐洲也都于20世紀(jì)70?80年代推出不同類型的復(fù)合片。中國于20世紀(jì)80年代開始研制金剛石復(fù)合片，成都工具所在1975年研制出了 FJ系列刀具用H)C，四年后北京人工晶體所研制出JYF型PDC刀片，其后，貴陽第六砂輪廠研制出JFS-F系列PDC刀片，鄭州磨料磨具磨削研究所于1987年成功研制出石油鉆探專用PDC，商品代號JFZR，1990年組建新亞公司實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，大大加速了PDC在我國的普及應(yīng)用。然而，產(chǎn)品的韌性還與GE公司產(chǎn)品有一定差距。聚晶金剛石復(fù)合片的性能指標(biāo)主要考慮三個方面:耐熱性能、強(qiáng)度和韌性、金剛石聚晶與碳化鎢合金的粘附性。其中耐熱性能與高溫下金剛石的石墨化有關(guān)。由于金剛石晶體間有燒結(jié)助劑金屬(鈷、鎢等)，使用時導(dǎo)致熱擴(kuò)散性差，而且過渡金屬在常壓下促使金剛石石墨化，石墨膨脹會產(chǎn)生脹應(yīng)力，破壞金剛石顆粒間的結(jié)合，因此一般PDC使用溫度不能超過700°C。聚晶金剛石的微結(jié)構(gòu)類似于陶瓷結(jié)構(gòu)，由晶粒聚集形成。晶粒與晶粒之間的結(jié)合方式?jīng)Q定了材料的強(qiáng)度和韌性。結(jié)合方式有:金剛石-金剛石結(jié)合、金剛石-非晶相-金剛石結(jié)合。對于前一種方式，由于晶粒排列是隨機(jī)空間取向，晶界結(jié)合處的晶格不能完全匹配，存在晶體解理的可能，強(qiáng)度不如后一種方式。第二種方式通過非晶相過渡避免了解理問題，但還要考慮晶相與非晶相膨脹系數(shù)的匹配問題，兩相的膨脹系數(shù)越接近，材料在受熱時產(chǎn)生的應(yīng)力越小，其耐溫性能越好。
[0003]本專利將硼引入聚晶金剛石復(fù)合片制造中，利用硼與碳在高溫下形成碳化硼，并滯留于晶界以提高聚晶金剛石復(fù)合片的耐溫性能和韌性。由于單質(zhì)硼的熔點(diǎn)高，無溶劑可溶解，很難將其均勻分散于金剛石微粉表面。因此，本專利采用溶液浸潰工藝將含硼元素的化合物均勻涂覆于金剛石微晶粉體表面，再將其與碳化鎢硬質(zhì)合金片一起裝填于金屬鑰杯中，經(jīng)過等靜壓燒結(jié)制備出高韌性金剛石聚晶復(fù)合材料。本專利制造的金剛石聚晶的韌性優(yōu)于用鈷結(jié)合劑的金剛石聚晶產(chǎn)品。
[0004]最受關(guān)注。根據(jù)兩個骨架碳原子所處的相對位置不同，二碳代.閉式十二硼烷有二種異構(gòu)體:

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]將硼的化合物[B5H9、或陽1(|、或B9H15、或BltlH14、或碳十硼烷(C2BltlH12 ;鄰碳硼烷、或間碳硼烷、或?qū)μ寂鹜?，或含碳原子?shù)小于4的衍生物)]溶于環(huán)己烷(或乙醇、或苯、或二硫化碳、或乙酸乙酯、或丙酮、或四氫呋喃、或上述溶劑中的兩種以上的混合物)，按照計算量加入金剛石微粉，攪拌均勻，除去溶劑。將涂覆過的金剛石微粉(用兩種粒徑的微粉混合而成；粗粉粒徑5-14微米；細(xì)粉粒徑0.5-4.5微米；粗粉/細(xì)粉=3/1-5/1)填入鋯杯中，壓緊密，再將其和碳化鎢合金片一起放入鑰杯，壓實(shí)，再與食鹽管、絕緣管、石墨管加熱元件粉壓塊等組裝，放入六面頂壓機(jī)進(jìn)行等靜壓燒結(jié)，形成聚晶金剛石復(fù)合片。最后經(jīng)打磨拋光成為最終廣品。
[0006]許多含硼化合物不穩(wěn)定，毒性大，不適合工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。另外含硼化合物中氫、碳氧氮等元素對等靜壓燒結(jié)工藝有一定影響，尤其是氫元素，由于原子半徑很小，一般在反應(yīng)過程中以原子擴(kuò)散形式排出聚晶金剛石晶界，但是含量不能太高，一旦形成氣體對六面頂壓機(jī)的安全造成威脅。碳元素的含量也不能太高，尤其是以烷基形式的碳會附帶大量的氫原子，造成上述問題。因此含硼化合物的選擇原則是:毒性小，穩(wěn)定，容易處理，可溶于適當(dāng)?shù)娜軇?，含氫、碳、氧的比例盡可能小。
[0007]上述制備方法，其特征在于:
[0008](a)利用溶液浸潰工藝可以將硼的化合物均勻涂覆于金剛石微粉的表面，提高了硼的分散均勻性，解決了單質(zhì)硼熔點(diǎn)高難于在金剛石粉體中分散和高溫下擴(kuò)散問題。
[0009](b)硼的化合物為液體或硬度很小的固體，在壓實(shí)過程中有潤滑作用，有利于提高填裝密度，減少孔隙率。
[0010](C)在高溫高壓過程中，硼的化合物分解，與金剛石微粉表面的碳發(fā)生反應(yīng)，生成的硼化碳在晶界形成過度相，避免了晶界的解理。
[0011](d)硼氫化合物有很強(qiáng)的還原能力，可以直接去除金剛石微粉表面吸附的氣體，簡化了傳統(tǒng)方法中的金剛石微粉真空退火處理步驟。該工藝簡單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量成產(chǎn)。表面拋光后金剛石聚晶反射光譜中有較強(qiáng)的藍(lán)光成份。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1氮化硼增韌金剛石聚晶復(fù)合片用HF處理不同時間后鑰和鋯的殘留量?！揪唧w實(shí)施方式】
[0013](I)含硼化合物溶液配制
[0014]稱取所需量的含硼化合物，在攪拌下用有機(jī)溶劑溶解，溶劑的體積為需要浸潰的金剛石微粉干裝體積的1/2至2/3。溶劑太少時難以形成均勻覆蓋；溶劑太多，干燥過程時間長，造成溶劑和能源浪費(fèi)。
[0015](2)浸潰工藝
[0016]在上述的溶液中加入金剛石微粉(用兩種粒徑的微粉混合而成；粗粉粒徑5-14微米；細(xì)粉粒徑0.5-4.5微米；粗粉/細(xì)粉=3/1-5/1 )，攪勻均勻，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將溶劑除掉。溶劑回收。
[0017](3)裝填工藝
[0018]按照計算稱取涂覆的金剛石微粉，填入鋯杯中，鋪平，壓緊，再于上方覆蓋一片碳化鎢合金片，一起放入鑰杯，用模具二次壓實(shí)形成預(yù)壓塊；將預(yù)壓塊與食鹽管、絕緣管、石墨管加熱元件、絕緣片、導(dǎo)電片、堵頭等裝入粉壓塊形成完整裝配。
[0019](4)等靜壓燒結(jié)
[0020]將完整裝配放入六面頂壓機(jī)，加壓至約3.5GPa，溫度升至1480-1550°C，再升壓至5-5.5GPa，進(jìn)行等靜壓燒結(jié)5_10分鐘，形成聚晶金剛石復(fù)合片。冷卻、減壓后取出裝配，敲開粉壓塊取出聚晶金剛石復(fù)合片粗坯。將粗坯用HF處理，去掉外層鋯、鑰金屬層，再經(jīng)打磨拋光成為最終產(chǎn)品。
[0021]性能檢測:
[0022](I)磨耗比檢測
[0023]金剛石聚晶復(fù)合片的磨耗比按照國際標(biāo)準(zhǔn)JB/T3235 — 1999，用鄭州大華機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DHM-2型磨耗比測定儀檢測。
[0024](2)熱穩(wěn)定性檢測
[0025]將金剛石聚晶復(fù)合片置于真空燒結(jié)爐中，在10_3Pa以下的氣壓下，于設(shè)定溫度加熱30分鐘，冷卻后測量其磨耗比。
[0026](3)超聲波無損檢測
[0027]用超聲波檢測剛石聚晶復(fù)合片的粘結(jié)界面是否存在裂紋或分層、金剛石聚晶層的厚度均勻性。
[0028]實(shí)施實(shí)例
[0029]實(shí)例I
[0030]按照上述實(shí)施方式所述工藝，將B5H9溶于環(huán)己烷，加入金剛石微粉，攪拌均勻，蒸除溶劑。按照【具體實(shí)施方式】進(jìn)行粉壓塊組裝和等靜壓燒結(jié)，最后經(jīng)打磨拋光成為最終產(chǎn)品。性能檢測結(jié)果列于表1。
[0031]總配料比為:
[0032]B5H9:3.0g, 3.5g, 4.0g, 5.0g
[0033]環(huán)己烷:60
[0034]金剛石微粉:100g
[0035]金剛石微粉配比:W14:W5=5:1
[0036]注:碳化鎢合金片直徑:15mm ;單片金剛石微粉用量:1.2g
[0037]表1磨耗比測量結(jié)果(1:Αχ10000)
[0038]
【權(quán)利要求】
1.含硼化合物涂覆金剛石微粉的制備方法:將硼的化合物[B5H9、或B6Hltl、或B9H15、或BltlH1P或碳十硼烷(C2BltlH12 ;鄰碳硼烷、或間碳硼烷、或?qū)μ寂鹜椋蚝荚訑?shù)小于4的衍生物)]溶于環(huán)己烷(或乙醇、或苯、或二硫化碳、或乙酸乙酯、或丙酮、或四氫呋喃、或上述溶劑中的兩種以上的混合物)，按照計算量加入金剛石微粉，攪拌均勻，除去溶劑。
2.聚晶金剛石制造配方:含硼化合物占金剛石微粉的質(zhì)量百分比為1_10%。金剛石微粉用兩種粒徑的微粉混合而成；粗粉粒徑5-14微米；細(xì)粉粒徑0.5-4.5微米；粗粉/細(xì)粉=3/1-5/1。
3.含硼化合物選擇:性能穩(wěn)定、無毒性、可以溶解于適當(dāng)?shù)娜軇┑幕衔?，包?B5H9、或B6Hic1、或B9H15、或BiciH14、或碳十硼燒(C2B10H12 ;鄰碳硼燒、或間碳硼燒、或?qū)μ寂馃?或含碳原子數(shù)小于4的衍生物)。
4.制造工藝:將涂覆過的金剛石微粉填入鋯杯中，壓緊密，再將其和碳化鎢合金片一起放入鑰杯，壓實(shí)，再與食鹽管、絕緣管、石墨管加熱元件粉壓塊等組裝，放入六面頂壓機(jī)進(jìn)行等靜壓燒結(jié)，形成聚晶金剛石復(fù)合片。工藝條件為:先室溫加壓至約3.5萬大氣壓，溫度升至1480-1550°C，再升壓至5-5.5GPa，進(jìn)行等靜壓燒結(jié)5_10分鐘，最后經(jīng)打磨拋光成為最終產(chǎn)品。
【文檔編號】E21B10/46GK103883257SQ201410050597
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】李坤, 周學(xué)琴, 施玉芬, 陸剛 申請人:常州大學(xué)