CN103331442A - 一种纳米结合剂、由该结合剂制成的金刚石复合截齿以及复合截齿的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米结合剂、由该结合剂制成的金刚石复合截齿以及复合截齿的制备方法，属于金刚石与硬质合金复合材料领域，其中，纳米结合剂由下述重量百分含量的原料组成：Co粉95～99%、TiC粉0.5～3%、Si粉0.5～2%。由所述纳米结合剂制成的金刚石复合截齿包括硬质合金球齿基体以及依次设置在基体上的第2过渡层、第1过渡层和金刚石聚晶层，金刚石聚晶层的原料组成为：金刚石粉93～97wt%和纳米结合剂3～7wt%。所述复合截齿经组装、预压、真空处理、高温高压烧结等几个步骤制备而成。本发明提供的纳米结合剂在高温高压下具有很好的烧结促进作用，有助于提高聚晶层内金刚石的体积比，增强金刚石复合截齿的耐磨性和抗冲击性能，延长其使用寿命。

Description

一种纳米结合剂、由该结合剂制成的金刚石复合截齿以及复合截齿的制备方法

技术领域

本发明属于金刚石与硬质合金复合材料领域，具体涉及一种纳米结合剂，以及由该结合剂制成的金刚石复合截齿。该复合截齿可用作公路铣刨机的切削齿，用于切割旧沥青混凝土路面；也可作为采煤机械和掘进机械的切削齿，截割煤层和岩层。本发明同时还涉及金刚石复合截齿的制备方法。 

背景技术

目前，各地公路铣刨机的切削齿普遍使用的是硬质合金截齿。然而在复杂的沥青混凝土路面环境中，硬质合金截齿的齿头磨损较快，齿头容易变钝，对沥青混路面难以形成有效切削。针对硬质合金截齿的失效形式，可通过改变切削截齿的材料组成来提高齿的耐磨性。金刚石是目前已知硬度最高的材料，由金刚石粉添加粘合剂制成的金刚石聚晶复合截齿具有高强度、高硬度、高耐磨性、抗冲击性以及良好的自锐性，这些优良特性使其能够应用在沥青路面切削，取代硬质合金截齿。实践证明，具有高耐磨的金刚石聚晶复合截齿，在磨蚀性沥青混凝土路面掘进的耐磨性甚至达到了硬质合金齿的几倍至几十倍，使用寿命大大延长的同时，也大幅度减少了截齿的更换次数，使得工作效率显著提升。 

发明内容

本发明的目的旨在提供一种纳米结合剂以及利用该结合剂制成的、适用于破路的金刚石聚晶复合截齿，提供该复合截齿的制备方法是本发明的另一目的。

基于上述目的，本发明采取了如下技术方案： 

一种纳米结合剂，由下述重量百分含量的原料组成：Co粉 95～99%、TiC粉0.5～3%、Si粉0.5～2%。

所述TiC粉与Si粉的粒径为35～40nm，所述Co粉的粒径为18～22nm。选择此粒径范围的原料，有利于增强金刚石聚晶复合截齿的耐磨和抗冲击性能。结合剂中Co粉、TiC粉、Si粉优选分析纯级。 

一种由所述纳米结合剂制成的金刚石复合截齿，所述复合截齿包括硬质合金球齿基体以及依次设置在基体上的第2过渡层、第1过渡层和金刚石聚晶层，其中金刚石聚晶层的原料组成为：金刚石粉93～97 wt%和纳米结合剂3～7wt%。金刚石粉以选择粒径为15～35μm的原料为佳。 

各层的重量百分比为：金刚石聚晶层55～65%、第1过渡层15～20%和第2过渡层20～25%。 

所述第1过渡层的原料组成为：金刚石粉55～65wt%、碳化钨粉30～35wt%、纳米结合剂5～10wt%，其中金刚石粉粒径以在8～12μm之间为佳，碳化钨粉粒径在1.0～1.2μm之间为佳。 

所述该第2过渡层的原料组成为：金刚石粉25～35wt%、碳化钨粉55～60wt%、纳米结合剂10～15wt%，其中金刚石粉优选粒径在4～6μm的原料，碳化钨粉粒径最好在1.4～2.0μm之间。 

所述硬质合金球齿基体的原料组成为：碳化钨粉86.5～87.5wt%、钴粉12.5～13.5wt%。当碳化钨粉粒径为1.4～2.0μm、钴粉粒径为1.0～1.2μm时，效果较好。 

所述金刚石复合截齿的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）组装：将金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层的原料分别混匀，然后依次铺入球形钼杯中，放入硬质合金球齿基体，扣上钼杯盖，形成复合体组件；

2）预压：把复合体组件放入钢制预压模内，置于液压机上压制，压力10MPa；

3）真空处理：预压后将复合体组件置于真空烧结炉中，在≤3×10^-4Pa的真空条件下于600～750℃保温处理1.5～3小时；

4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度为1400～1500℃、压力为6～7GPa的条件下合成15～35min。

所述制备方法中，利用行星式球磨机对金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层的原料进行混匀，操作时物料与磨球的重量比为1∶1.5～3，同时向球磨罐中充入液氮，物料和磨球总体积与液氮的体积比为1∶1；行星式球磨机参数：公转40～60 r/min，自转70～100 r/min，球磨时间5～20小时。 

所述制备方法中，混料前先将所述纳米结合剂置于氢气还原炉中在600～750℃下还原处理1.5～3h；混料前对所述金刚石份进行净化处理：将金刚石粉先用25～45%的氢氧化钠水溶液煮沸5～10min，用蒸馏水洗涤至中性后再用王水煮沸5～10min，蒸馏水洗涤至中性。 

本发明提供的纳米结合剂在高温高压下具有很好的烧结促进作用，能够很好地与金刚石粉结合，形成强韧的烧结体，有助于提高聚晶层内金刚石的体积比，增强金刚石复合截齿的耐磨性和抗冲击性能，延长其使用寿命。 

利用所述纳米结合剂制成的金刚石复合截齿在破路方面的性能尤其卓越，其硬质合金球齿基体与金刚石层之间采用梯度过渡层连接，突破了现有复合截齿高耐磨性与抗冲击韧性不可兼得的技术瓶颈，获得了耐磨性与抗冲击性能俱佳的金刚石聚晶复合截齿。通过对过渡层和硬质合金球齿材料的合理设计，解决了金刚石聚晶层与硬质合金基体之间由于导热系数、热膨胀系数及弹性模量差异而导致的分层和裂纹等现象，强化了金刚石聚晶层与硬质合金球齿基体之间的结合。该复合截齿具有高强度、高硬度、高耐磨性以及良好的抗冲击性和自锐性。 

同时，本发明还提供了所述金刚石复合截齿的制备方法。该法采用高温高压技术将金刚石复合到硬质合金球齿表面上，在其上形成了耐磨性很好的金刚石层，同时，硬质合金基体又具有良好的冲击韧性，两者相辅相成，成就了性能卓越的金刚石复合截齿，可将其作为公路铣刨机的切削齿，参与沥青混凝土路面的切削。 

在制备复合截齿的过程中，为使纳米材料混料均匀，本发明采取了在行星式球磨机上利用液氮球磨进行混料的技术，混料过程中球磨罐内粉料始终处于惰性液态流动状态，使所磨物料更加均匀，并能解决物料沉底和粘罐问题。星行式球磨机的混料机理如下：行星式球磨机是在一大盘上装有四个硬质合金球磨罐，磨球采用的是硬质合金球；当大盘转动（公转）时，磨罐在其公转轨道上作自转运动（公转：自转速比1：2），大盘和球磨罐在做行星运动的同时，又可在一立体空间范围内做360°翻斗式翻转，粉料在球磨罐内始终处于惰性液态流动状态。 

此外，烧结前对复合体组件进行真空高温脱气处理，是为了进一步去除复合粉末中的挥发性杂质，彻底消除杂质其对金刚石聚晶复合截齿烧结所产生的不利影响。 

本发明提供的金刚石复合截齿通过在聚晶层和过渡层配方中采用纳米结合剂，并在硬质合金球齿基体与金刚石层之间采用梯度过渡层连接，突破了金刚石复合片高耐磨性和高抗冲击韧性的技术瓶颈。与现有金刚石复合截齿相比，磨耗比由25～30万提高到37～42万，抗冲击韧性由250～300焦耳提高到410～450焦耳；热稳定性：在750℃焙烧10分钟以后，产品磨耗比36～40万，抗冲击韧性400～430焦耳；使用寿命由硬质合金齿的10～15倍提高到硬质合金齿的25倍以上。 

此外，本发明还研究了该金刚石聚晶复合片的微观结构，发现纳米结合剂与金刚石之间具有良好的结合性能，说明纳米材料结合剂有助于烧结并且提高金刚石之间（D-D键）的成键密度。 

附图说明

    图1是本发明金刚石复合截齿的剖面图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。 

实施例1

一种纳米结合剂，由下述重量百分含量的原料组成：Co粉（18～22nm） 95%、TiC粉（35～40nm）3%、Si粉（35～40nm）2%。

一种由上述纳米结合剂制成的金刚石复合截齿，如图1所示，包括硬质合金球齿基体4以及依次设置在基体4上的第2过渡层3、第1过渡层2和金刚石聚晶层1。各层的重量百分比为：金刚石聚晶层55%、第1过渡层20%和第2过渡层25%。金刚石聚晶层的原料组成为：金刚石粉（15～35μm）93 wt%和纳米结合剂7wt%。第1过渡层的原料组成为：金刚石粉（8～12μm）55wt%、碳化钨粉（1.0～1.2μm）35wt%、纳米结合剂10wt%。第2过渡层的原料组成为：金刚石粉（4～6μm）25wt%、碳化钨粉（1.4～2.0μm）60wt%、纳米结合剂15wt%。硬质合金球齿基体的原料组成为：碳化钨粉（1.4～2.0μm）86.5wt%、钴粉（1.0～1.2μm）13.5wt%。 

金刚石复合截齿的制备方法，包括以下步骤： 

（1）原料预处理：混料前先将所述纳米结合剂置于氢气还原炉中在750℃下还原处理2h；将金刚石粉先用35%的氢氧化钠水溶液煮沸5min，用蒸馏水洗涤至中性后再用王水煮沸5min，蒸馏水洗涤至中性。

（2）混料：按照前述配方分别对金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层进行配料，然后利用行星式球磨机分别对原料进行混匀，操作时物料与硬质合金磨球（φ5）的重量比为1∶3，同时向球磨罐中充入液氮，物料和磨球总体积与液氮的体积比为1∶1；行星式球磨机参数：公转50 r/min，自转100r/min，球磨时间20小时。 

（3）组装：将金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层的原料分别混匀，然后依次铺入球形钼杯中，放入硬质合金球齿基体，扣上钼杯盖，形成复合体组件； 

（4）预压：把复合体组件放入钢制预压模内，置于100吨液压机上进行压制，压力10MPa；

（5）真空处理：预压后将复合体组件置于真空烧结炉中，在≤3×10^-4Pa的真空条件下于700℃保温处理2小时；

（6）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度为1450℃、压力为6GPa的条件下合成20min。六面顶压机采用六缸不等压方式（上下缸压力高于水平缸压力5％），并通过上下顶锤加热实现复合体的高温高压烧结。

经测试，制得的金刚石复合截齿的主要性能指标为：（1）复合截齿磨耗比为41万，抗冲击韧性450焦耳；（2）复合截齿热稳定性：产品在750℃下焙烧10min后，复合片磨耗比为39万，抗冲击韧性430焦耳；（3）复合截齿使用寿命为硬质合金齿的27倍。 

实施例2

一种纳米结合剂，由下述重量百分含量的原料组成：Co粉（18～22nm） 99%、TiC粉（35～40nm）0.5%、Si粉（35～40nm）0.5%。

一种由上述纳米结合剂制成的金刚石复合截齿，包括硬质合金球齿基体以及依次设置在基体上的第2过渡层、第1过渡层和金刚石聚晶层，各层的重量百分比为：金刚石聚晶层65%、第1过渡层15%和第2过渡层20%。金刚石聚晶层的原料组成为：金刚石粉（15～35μm）97 wt%和纳米结合剂3wt%。第1过渡层的原料组成为：金刚石粉（8～12μm）65wt%、碳化钨粉（1.0～1.2μm）30wt%、纳米结合剂5wt%。第2过渡层的原料组成为：金刚石粉（4～6μm）35wt%、碳化钨粉（1.4～2.0μm）55wt%、纳米结合剂10wt%。硬质合金球齿基体的原料组成为：碳化钨粉（1.4～2.0μm）87.5wt%、钴粉（1.0～1.2μm）12.5wt%。 

金刚石复合截齿的制备方法，包括以下步骤： 

（1）原料预处理：混料前先将所述纳米结合剂置于氢气还原炉中在600℃下还原处理3h；将金刚石粉先用25%的氢氧化钠水溶液煮沸10min，用蒸馏水洗涤至中性后再用王水煮沸10min，蒸馏水洗涤至中性。

（2）混料：按照前述配方分别对金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层进行配料，然后利用行星式球磨机分别对原料进行混匀，操作时物料与硬质合金磨球（φ5）的重量比为1∶2，同时向球磨罐中充入液氮，物料和磨球总体积与液氮的体积比为1∶1；行星式球磨机参数：公转60r/min，自转80r/min，球磨时间6小时。 

（3）组装：将金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层的原料分别混匀，然后依次铺入球形钼杯中，放入硬质合金球齿基体，扣上钼杯盖，形成复合体组件； 

（4）预压：把复合体组件放入钢制预压模内，置于100吨液压机上进行压制，压力10MPa；

（5）真空处理：预压后将复合体组件置于真空烧结炉中，在≤3×10^-4Pa的真空条件下于600℃保温处理3小时；

（6）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶合成压机在温度为1500℃、压力为6GPa的条件下合成15min。

对本实施例制得的金刚石复合截齿进行测试，主要性能指标为：（1）复合截齿磨耗比为40万，抗冲击韧性430焦耳；（2）复合截齿热稳定性：产品在750℃下焙烧10min后，复合片磨耗比为38.5万，抗冲击韧性420焦耳；（3）复合截齿使用寿命为硬质合金齿的26倍。 

实施例3

一种纳米结合剂，由下述重量百分含量的原料组成：Co粉（18～22nm） 97%、TiC粉（35～40nm）2%、Si粉（35～40nm）1%。

一种由上述纳米结合剂制成的金刚石复合截齿，包括硬质合金球齿基体以及依次设置在基体上的第2过渡层、第1过渡层和金刚石聚晶层，各层的重量百分比为：金刚石聚晶层60%、第1过渡层18%和第2过渡层22%。金刚石聚晶层的原料组成为：金刚石粉（15～35μm）95 wt%和纳米结合剂5wt%。第1过渡层的原料组成为：金刚石粉（8～12μm）60wt%、碳化钨粉（1.0～1.2μm）32wt%、纳米结合剂8wt%。第2过渡层的原料组成为：金刚石粉（4～6μm）30wt%、碳化钨粉（1.4～2.0μm）58wt%、纳米结合剂12wt%。硬质合金球齿基体的原料组成为：碳化钨粉（1.4～2.0μm）87wt%、钴粉（1.0～1.2μm）13wt%。 

金刚石复合截齿的制备方法，包括以下步骤： 

（1）原料预处理：混料前先将所述纳米结合剂置于氢气还原炉中在700℃下还原处理1.5h；将金刚石粉先用45%的氢氧化钠水溶液煮沸8min，用蒸馏水洗涤至中性后再用王水煮沸6min，蒸馏水洗涤至中性。

（2）混料：按照前述配方分别对金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层进行配料，然后利用行星式球磨机分别对原料进行混匀，操作时物料与硬质合金磨球（φ5）的重量比为1∶1.5，同时向球磨罐中充入液氮，物料和磨球总体积与液氮的体积比为1∶1；行星式球磨机参数：公转40 r/min，自转70 r/min，球磨时间18小时。 

（3）组装：将金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层的原料分别混匀，然后依次铺入球形钼杯中，放入硬质合金球齿基体，扣上钼杯盖，形成复合体组件； 

（4）预压：把复合体组件放入钢制预压模内，置于100吨液压机上进行压制，压力10MPa；

（5）真空处理：预压后将复合体组件置于真空烧结炉中，在≤3×10^-4Pa的真空条件下于750℃保温处理1.5小时；

（6）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶合成压机在温度为1400℃、压力为7GPa的条件下合成35min。

对本实施例制得的金刚石复合截齿进行测试，主要性能指标为：（1）复合截齿磨耗比为41.5万，抗冲击韧性420焦耳；（2）复合截齿热稳定性：产品在750℃下焙烧10min后，复合片磨耗比为40.5万，抗冲击韧性410焦耳；（3）复合截齿使用寿命为硬质合金齿的25倍。 

Claims (10)

1.一种纳米结合剂，其特征在于，该结合剂由下述重量百分含量的原料组成：Co粉 95～99%、TiC粉0.5～3%、Si粉0.5～2%。

2.如权利要求1所述的纳米结合剂，其特征在于，所述TiC粉与Si粉的粒径为35～40nm，所述Co粉的粒径为18～22nm。

3.一种由权利要求1所述纳米结合剂制成的金刚石复合截齿，所述复合截齿包括硬质合金球齿基体以及依次设置在基体上的第2过渡层、第1过渡层和金刚石聚晶层，其特征在于，所述金刚石聚晶层的原料组成为：金刚石粉93～97 wt%和纳米结合剂3～7wt%。

4.如权利要求3所述的金刚石复合截齿，其特征在于，各层的重量百分比为：金刚石聚晶层55～65%、第1过渡层15～20%和第2过渡层20～25%。

5.如权利要求4所述的金刚石复合截齿，其特征在于，所述第1过渡层的原料组成为：金刚石粉55～65wt%、碳化钨粉30～35wt%、纳米结合剂5～10wt%。

6.如权利要求4所述的金刚石复合截齿，其特征在于，所述该第2过渡层的原料组成为：金刚石粉25～35wt%、碳化钨粉55～60wt%、纳米结合剂10～15wt%。

7.如权利要求3-6任一所述的金刚石复合截齿，其特征在于，所述硬质合金球齿基体的原料组成为：碳化钨粉86.5～87.5wt%、钴粉12.5～13.5wt%。

8.如权利要求3-6任一所述金刚石复合截齿的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）组装：将金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层的原料分别混匀，然后依次铺入球形钼杯中，放入硬质合金球齿基体，扣上钼杯盖，形成复合体组件；

2）预压：把复合体组件放入钢制预压模内，置于液压机上压制，压力10MPa；

3）真空处理：预压后将复合体组件置于真空烧结炉中，在≤3×10^-4Pa的真空条件下于600～750℃保温处理1.5～3小时；

4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度为1400～1500℃、压力为6～7GPa的条件下合成15～35min。

9.如权利要求7所述金刚石复合截齿的制备方法，其特征在于，利用行星式球磨机对金刚石聚晶层、第1过渡层、第2过渡层的原料进行混匀，操作时物料与磨球的重量比为1∶1.5～3，同时向球磨罐中充入液氮，物料和磨球总体积与液氮的体积比为1∶1；行星式球磨机参数：公转40～60 r/min，自转70～100 r/min，球磨时间5～20小时。

10.如权利要求8所述金刚石复合截齿的制备方法，其特征在于，混料前先将所述纳米结合剂置于氢气还原炉中在600～750℃下还原处理1.5～3h；混料前对所述金刚石份进行净化处理：将金刚石粉先用25～45%的氢氧化钠水溶液煮沸5～10min，用蒸馏水洗涤至中性后再用王水煮沸5～10min，蒸馏水洗涤至中性。

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