[发明专利]一种耐高温钛膜超硬复合材料及其生产工艺

说明书

 

技术领域

本发明属于金属与非金属复合新材料生产技术领域，具体是一种用于制造高性能超硬材料切割和钻进工具的耐高温钛膜超硬复合材料及其生产工艺。

背景技术

合成金刚石、立方氮化硼等超硬材料切割和钻进工具在制造和使用的过程中，其超硬材料颗粒在高温下受空气和工具基体材料的侵蚀，强度会显著降低。在此情况下，大多数超硬材料颗粒在工具使用时因受磨削力作用而从基体上脱落。超硬材料表面镀覆一层金属钛膜，可以通过化学键合作用有效提高超硬材料晶体颗粒与其工具基体金属材料的结合强度；钛膜层对超硬材料的隔离作用，使其在高温烧结和高温磨削时免受空气和结合剂的侵蚀。延长磨具的使用寿命，提高加工效率。

  现有钛膜超硬复合材料一般采用低温镀覆工艺，因工艺温度达不到钛与超硬材料化学键合温度，钛膜与超硬材料结合强度低，在受到强剪切作用或高温下钛膜易脱落；而且钛膜厚度不足，阻隔作用不彻底。其存在的主要技术难题是：超硬材料与钛化学键合温度接近800℃，已临近超硬材料热损温度，温度继续升高会造成超硬材料冲击韧性显著下降；超硬材料中的碳、氮元素与钛元素化学反应为放热反应，放出的热量使局部温度升高，温度升高促使反应更加剧烈，结果可能导致超硬材料表面温度超过二千摄氏度，超硬材料部分或全部氧化成化合物而毁损。所以实现钛与超硬材料化学键合和增加钛膜厚度的前提是保证键合反应在可控的条件下进行，使超硬材料表面温度与反应容器内温度基本一致。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温超硬复合材料钛膜，能够在解决超硬材料热损问题的基础上，使钛膜层与超硬材料结合牢固，在高温下钛膜不脱落，对超硬材料的阻隔作用比较彻底。

本发明的另一个目的是提供一种能够实现钛与超硬材料化学键合和增加钛膜厚度的键合反应在可控的条件下进行，通过提高镀覆温度使复合材料充分化学键合，通过增加保温时间使产品钛膜厚度增加，制造所述耐高温钛膜超硬复合材料的生产工艺。

实现本发明的目的所采取的技术方案是：一种耐高温钛膜超硬复合材料，它是由超硬材料、镀层粉剂和粘合剂混合蒸镀而成；其中，镀层粉剂由TiO₂ 、MgCl₂和 Al粉混合而成；粘合剂由分析纯无水乙醇、分析纯丁醇和分析纯丙三醇混合而成。所述耐高温钛膜超硬复合材料各组分原料的质量份配比为：超硬材料90～150份、镀层粉剂15～25份、粘合剂0.7～1.2份；

所述超硬材料采用合成金刚石或立方氮化硼；

所述镀层粉剂各组分原料的质量份配比为TiO₂32～37份； MgCl₂ 43～53份； Al粉10～15份混合而成；

所述粘合剂各组分原料的质量份配比为分析纯无水乙醇80～120份；分析纯丁醇8～12份；分析纯丙三醇3～4份混合而成。

一种生产所述耐高温钛膜超硬复合材料的工艺，该工艺是按以下步骤进行：

1）制备镀层粉剂：按所述配比分别称取粒度为300目以细的TiO₂、MgCl₂和Al粉，混合均匀，制成镀层粉剂备用；

2）制备粘合剂：按所述配比分别称取析纯无水乙醇、分析纯丁醇和分析纯丙三醇，混合均匀，制成粘合剂备用；

3）制备混合原料：按所述配比分别称取超硬材料和粘合剂，加入混合容器内搅拌均匀，再按所述配比流加镀层粉剂，继续搅拌均匀，制成混合原料，分倒入数个不锈钢桶内并压实备用；

4）蒸镀：将装有混合原料的不锈钢桶排列置放在所述真空蒸镀室中，将真空蒸镀室内抽至10^-4Pa的高真空，并加热使真空蒸镀室内温度控制在750～850℃，根据设计钛膜厚度保温50～100分钟，保温结束后向真空蒸镀室内充入氩气冷却降温；

5）分离：在炉壳内压力和温度达到环境大气压力和温度时，取出不锈钢桶，倒出蒸镀物料，筛除残余粉剂，清洗干净即可。

本发明的耐高温钛膜超硬复合材料及其生产工艺，其有益效果为：

1）本发明的镀层粉剂在800℃吸热分解生成气态钛，通过控制反应容器内温度和保温时间控制分解反应的进行，该粉剂分解吸热，钛蒸气与超硬材料化合放热产生热交换，能够避免超硬材料表面温度的急剧升高，由此保证蒸镀的顺利进行。