一种金刚石-硬质合金复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及硬质合金制备领域，更具体地，涉及一种金刚石-硬质合金复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.目前金刚石-硬质合金烧结一般采用价格昂贵、不适于大批量生产的非常规方法如：超高压高温法、固相烧结法、低共晶温度液相烧结法、活化烧结法等。超高压高温法与聚晶金刚石复合片烧结方式类似，压力达到5~10gpa，成本很高。固相烧结法是降低烧结温度进行固相烧结，存在欠烧问题，样品致密性差。低共晶温度液相烧结法是通过添加p、si、ni、b、al、cu等元素降低共晶温度，从而降低烧结温度，但低熔点添加元素降低了合金强度与润湿性，合金性能恶化。活化烧结法是采用微波烧结、热压烧结、sps烧结等烧结方式，可以降低烧结温度与时间，但需制作特制石墨模具，生产效率低下。
3.经检索，cn115319089a公开了一种硬质合金包覆金刚石颗粒及其制备方法，烧结温度基本低于1340℃的共晶温度，低于液相烧结温度。采用真空度低于2
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10-3
pa的真空烧结。致密性差，强度低。
4.cn100547101c在微波常压下烧结，在1200~1300℃时保温8～10分钟。烧结温度低于1340℃的共晶温度，烧结时间很短，致密性差，强度低。
5.因此，发明一种低成本生产工艺路线和高性能金刚石-硬质合金复合材料在实际生产中具有重大的实际意义和经济价值。


技术实现要素：

6.本发明针对上述现有技术的不足，公开了一种金刚石-硬质合金复合材料及其制备方法，解决现有技术存在的金刚石与金属或合金之间不易润湿，结合较差；金刚石发生石墨化转变，目前金刚石-硬质合金烧结一般采用价格昂贵、不适于大批量生产的非常规方法等问题。
7.并且本发明采用常规的液相烧结，在共晶温度以上制备金刚石-硬质合金复合材料，不额外添加其他降低共晶温度的元素。为实现低成本生产工艺路线和高性能金刚石-硬质合金复合材料的生产提供依据，推进金刚石-硬质合金复合材料产业化应用，拓展应用领域，减少钨资源消耗。
8.本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：本发明公开一种金刚石-硬质合金复合材料，采用常规的液相烧结，在共晶温度以上制备金刚石-硬质合金复合材料；将金刚石表面涂覆碳化物形成元素或其陶瓷相构成的涂层进行烧结，不额外添加其他降低共晶温度的元素。
9.进一步地，按重量百分比计包括以下组分：过渡族难熔金属化合物：80wt%~99wt%，粘结金属：0.5wt%~10wt%，w粉：0.1wt%~5wt%，金刚石颗粒：0.1wt%~5wt%；其中，金刚石颗粒表面涂覆w、ti、si、cr等碳化物形成元素或其陶瓷相构成的涂层。
10.进一步地，所述粘结金属由fe、co、ni的一种或多种组成。
11.进一步地，所述金刚石颗粒添加量为0.1wt%~5wt%，优选为0.3wt%~3wt%。
12.进一步地，所述w粉为超细钨粉。
13.本发明的另一目的在于，公开上述金刚石-硬质合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：s1.配料：首先配入wc、co和w粉，其中w粉的加量随金刚石和钴粉含量的增加而增加，具体添加量以不出现渗碳相和脱碳相为原则。同时添加成型剂与湿磨介质进行球磨混合均匀，制得混合料浆；s2.混料：料浆卸料后添加金刚石，进行第一次搅拌均匀后在干燥柜中进行干燥，干燥过程中需进行第二次搅拌以确保金刚石混合均匀；s3.烧结：压制成型后进行液相烧结，烧结温度≥1340℃的共晶温度，优选为1340℃~1450℃，烧结时间为0.5h～3h，烧结压力≥1mpa，优选≥8mpa。
14.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明采用常规的液相烧结，在共晶温度以上制备金刚石-硬质合金复合材料，将金刚石表面涂覆碳化物形成元素或其陶瓷相构成的涂层进行烧结，不额外添加其他降低共晶温度的元素。整个金刚石-硬质合金复合材料致密性高，不含宏观孔隙。不含渗碳相与脱碳相。产品强度与韧性高，使用寿命长。
15.为实现低成本生产工艺路线和高性能金刚石-硬质合金复合材料的生产提供依据，推进金刚石-硬质合金复合材料产业化应用，拓展应用领域，减少钨资源消耗。
附图说明
16.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为实施例1所述的金刚石-硬质合金复合材料的金相照片。
17.图2为实施例4所述的金刚石-硬质合金复合材料的扫描照片。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
19.本发明提供了金刚石-硬质合金复合材料，按重量百分比计包括以下组分：过渡族难熔金属化合物：80wt%~99wt%，粘结金属：0.5wt%~10wt%，w粉：0.1%～5%，金刚石颗粒：0.1wt%~5wt%，其中，金刚石表面涂覆w、ti、si、cr等碳化物形成元素或其陶瓷相构成的涂层。
20.其中，过渡族难熔金属化合物为wc、tac、tic、nbc等一般硬质合金的基体材料。粘接金属由fe、co、ni的一种或多种组成，按质量百分比计，其含量在0.5wt%~10wt%间。
21.其具体制备方法如下。
实施例1
22.本实施例的金刚石-硬质合金复合材料，按重量百分比计包括以下组分，其配料：
wc粉93.9wt%，费氏粒度5μm；co粉4wt%，费氏粒度1.5μm；超细w粉1.6wt%，费氏粒度0.8μm；以及镀ti金刚石粉末0.5%，约150μm。
23.其制备方法为：s1.配料：首先配入wc、co和w粉，添加2wt%成型剂peg与20wt%湿磨介质酒精球磨25h，制得混合料浆。
24.s2.混料：卸料后添加镀ti金刚石，进行第一次搅拌均匀后在干燥柜中进行干燥，料浆搅拌1h。搅拌均匀后在干燥柜中进行干燥，干燥过程中需进行第二次搅拌以确保金刚石混合均匀。
25.s3.烧结：压制成型后进行烧结2h，在1390℃、10mpa的烧结工艺下进行烧结。
26.通过图1的金相照片可知，合金金相组织正常无渗碳相与脱碳相。相对密度为99.2%，接近全致密。
实施例2
27.本实施例的金刚石-硬质合金复合材料，按重量百分比计包括以下组分，其配料：wc粉91.1wt%，费氏粒度5μm；co粉6wt%，费氏粒度1.5μm；w粉2.4wt%，费氏粒度0.8μm；以及镀ti金刚石粉末0.5%；约150μm。
28.其制备方法为：s1.配料：首先配入wc、co和w粉，添加2wt%成型剂peg与30wt%湿磨介质酒精球磨25h，制得混合料浆。
29.s2.混料：卸料后添加镀ti金刚石，进行第一次搅拌均匀后在干燥柜中进行干燥，料浆搅拌1h。搅拌均匀后在干燥柜中进行干燥，干燥过程中需进行第二次搅拌以确保金刚石混合均匀。
30.s3.烧结：压制成型后进行烧结1h，在1390℃、10mpa的烧结工艺下进行烧结。
31.合金金相组织正常无渗碳相与脱碳相，相对密度为99.5%，接近全致密。
实施例3
32.本实施例的金刚石-硬质合金复合材料，按重量百分比计包括以下组分，其配料：wc粉88.3wt%，费氏粒度5μm；co粉8wt%，费氏粒度1.5μm；w粉3.2wt%，费氏粒度0.8μm；以及镀ti金刚石粉末0.5%，约150μm。
33.其制备方法为：s1.配料：首先配入wc、co和w粉，添加4wt%成型剂peg与20wt%湿磨介质酒精球磨25h，制得混合料浆。
34.s2.混料：卸料后添加镀ti金刚石，料浆搅拌1h。搅拌均匀后在干燥柜中进行干燥，干燥过程中需进行二次搅拌以确保金刚石混合均匀。
35.s3.烧结：压制成型后进行烧结1h，在1390℃、10mpa的烧结工艺下进行烧结。
36.合金金相组织正常无渗碳相与脱碳相，相对密度为99.7%，接近全致密。
实施例4
37.本实施例的金刚石-硬质合金复合材料，按重量百分比计包括以下组分，其配料：wc粉99wt%，费氏粒度5μm；co粉0.5wt%，费氏粒度1.5μm；w粉0.1wt%，费氏粒度0.8μm；以及镀ti金刚石粉末0.4%，约150μm。
38.其制备方法为：s1.配料：首先配入wc、co和w粉，添加2wt%成型剂peg与20wt%湿磨
介质酒精球磨25h，制得混合料浆。
39.s2.混料：卸料后添加镀w金刚石，料浆搅拌1h。搅拌均匀后在干燥柜中进行干燥，干燥过程中需进行二次搅拌以确保金刚石混合均匀。
40.s3.烧结：压制成型后进行烧结3h，在1450℃、10mpa的烧结工艺下进行烧结。
41.通过图1的金相照片可知，合金金相组织正常无渗碳相与脱碳相。相对密度为97.0%，接近全致密。
实施例5
42.本实施例的金刚石-硬质合金复合材料，按重量百分比计包括以下组分，其配料：wc粉80wt%，费氏粒度5μm；co粉10wt%，费氏粒度1.5μm；w粉5wt%，费氏粒度0.8μm；以及镀ti金刚石粉末5%，约150μm。
43.其制备方法为：s1.配料：首先配入wc、co和w粉，添加2wt%成型剂peg与20wt%湿磨介质酒精球磨25h，制得混合料浆。
44.s2.混料：卸料后添加镀ti金刚石，料浆搅拌1h。搅拌均匀后在干燥柜中进行干燥，干燥过程中需进行二次搅拌以确保金刚石混合均匀。
45.s3.烧结：压制成型后进行烧结0.5h，在1350℃、1mpa的烧结工艺下进行烧结。
46.合金金相组织正常无渗碳相与脱碳相，相对密度为99.8%，接近全致密。
对比例1
47.本对比例的金刚石-硬质合金复合材料，按重量百分比计包括以下组分，其配料：wc粉96wt%，费氏粒度5μm；co粉4wt%，费氏粒度1.5μm。
48.其制备方法为：s1.配料：配入wc、co和w粉，添加2wt%成型剂peg与20wt%湿磨介质酒精球磨25h，制得混合料浆。
49.s2.干燥：在干燥柜中进行干燥。
50.s3.烧结：压制成型后进行烧结，在1390℃、10mpa的烧结工艺下进行烧结。
51.合金金相组织正常无渗碳相与脱碳相，相对密度为99.6%，接近全致密。
对比例2
52.本对比例的金刚石-硬质合金复合材料，按重量百分比计包括以下组分，其配料：wc粉94wt%，费氏粒度5μm；co粉6wt%，费氏粒度1.5μm。
53.其制备方法为：s1.配料：首先配入wc、co和w粉，添加2wt%成型剂peg与20wt%湿磨介质酒精球磨25h，制得混合料浆。
54.s2.干燥：在干燥柜中进行干燥。
55.s3.烧结：压制成型后进行烧结，在1390℃、10mpa的烧结工艺下进行烧结。
56.合金金相组织正常无渗碳相与脱碳相，相对密度为99.8%，接近全致密。
对比例3
57.本对比例的金刚石-硬质合金复合材料，按重量百分比计包括以下组分，其配料：wc粉82wt%，费氏粒度5μm；co粉8wt%，费氏粒度1.5μm。
58.其制备方法为：s1.配料：首先配入wc、co和w粉，添加2wt%成型剂peg与20wt%湿磨介质酒精球磨25h，制得混合料浆。
59.s2.干燥：在干燥柜中进行干燥。
60.s3.烧结：压制成型后进行烧结，在1450℃、10mpa的烧结工艺下进行烧结。
61.合金金相组织正常无渗碳相与脱碳相，相对密度为99.9%，接近全致密。
62.金刚石最主要的性能特点为耐磨性极好，对以上实施例和对比例样品进行耐磨性能测试，并分别制备出不含金刚石的硬质合金对照组，耐磨性在自动磨抛机上测量，先对样品表面进行平面磨加工，使样品表面平行度每10mm长度不超过0.1mm，采用特定夹具一次对称固定三个样品。用al204分析天平称量质量，测量精度为0.0001g。同时精确测量样品的密度，从而计算磨损体积。每组样品测量三组取平均值。添加金刚石后，耐磨性能明显提高。
[0063][0064]
本发明采用一定的金刚石添加量，使产品即保证了使用的耐磨性，又不产生游离渗碳相。并且在金刚石表面涂覆了涂层，提高了金刚石高温稳定性；同时，大幅减少了金刚石烧结时碳元素向基体中的扩散，添加的超细w粉，可以使金刚石中的c与超细w粉反应生成wc，使基体致密。整个金刚石-硬质合金复合材料致密性高，不含宏观孔隙。不含渗碳相与脱碳相。产品强度与韧性高，使用寿命长。
[0065]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。

技术特征：
1.一种金刚石-硬质合金复合材料，其特征在于，采用常规的液相烧结，在共晶温度以上制备金刚石-硬质合金复合材料；将金刚石表面涂覆碳化物形成元素或其陶瓷相构成的涂层进行烧结，不额外添加其他降低共晶温度的元素。2.根据权利要求1所述金刚石-硬质合金复合材料，其特征在于，按重量百分比计包括以下组分：过渡族难熔金属化合物：80wt%~99wt%，粘结金属：0.5wt%~10wt%，w粉：0.1wt%~5wt%，金刚石颗粒：0.1wt%~5wt%。3.根据权利要求2所述金刚石-硬质合金复合材料，其特征在于，所述金刚石颗粒表面涂覆w、ti、si、cr等碳化物形成元素或其陶瓷相构成的涂层。4.根据权利要求3所述金刚石-硬质合金复合材料，其特征在于，所述粘结金属由fe、co、ni的一种或多种组成。5.根据权利要求4所述金刚石-硬质合金复合材料，其特征在于，所述金刚石颗粒添加量为0.3wt%~3wt%。6.根据权利要求5所述金刚石-硬质合金复合材料，其特征在于，所述w粉为超细钨粉。7.一种权利要求1~6任意一项所述金刚石-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.配料：首先配入wc、co和w粉，其中w粉的加量随金刚石和钴粉含量的增加而增加，具体添加量以不出现渗碳相和脱碳相为原则；同时添加成型剂与湿磨介质进行球磨混合均匀，制得混合料浆；s2.混料：料浆卸料后添加金刚石，进行搅拌均匀后在干燥柜中进行干燥，干燥过程中需进行再次搅拌以确保金刚石混合均匀；s3.烧结：压制成型后进行液相烧结，烧结温度≥1340℃的共晶温度，烧结时间为0.5h～3h，烧结压力≥1mpa。8.根据权利要求7所述述金刚石-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于，烧结压力≥8mpa。

技术总结
本发明公开金刚石-硬质合金复合材料，采用常规的液相烧结，在共晶温度以上制备金刚石-硬质合金复合材料；将金刚石表面涂覆碳化物形成元素或其陶瓷相构成的涂层进行烧结，不额外添加其他降低共晶温度的元素。采用一定的金刚石添加量，使产品即保证了使用的耐磨性，又不产生游离渗碳相。并且在金刚石表面涂覆了涂层，提高了金刚石高温稳定性；同时，大幅减少了金刚石烧结时碳元素向基体中的扩散，添加的超细W粉，可以使金刚石中的C与超细W粉反应生成WC，使基体致密。整个金刚石-硬质合金复合材料致密性高，不含宏观孔隙，不含渗碳相与脱碳相。产品强度与韧性高，使用寿命长。使用寿命长。使用寿命长。


技术研发人员：刘靖忠 窦明见 向天翔
受保护的技术使用者：株洲肯特硬质合金股份有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/9/20