[发明专利]一种高品级自锐性多晶金刚石的合成工艺技术

说明书

技术领域

本发明属于超硬材料的合成技术领域，具体涉及一种具有自锐性多晶金刚石的合成工艺技术。

背景技术

金刚石是硬度很高的超硬材料，主要用于制作各种金刚石工具，如磨削工具、拉丝模、切削刀具以及钻进工具等。世界上生产的金刚石主要以单晶为产品，获得了广泛的应用。人造和天然金刚石以单晶居多，晶体本身就是一个完整的大晶粒。单晶是具有完整晶体外形的单个颗粒，颗粒内部的晶格是周期排列，具有各向异性；多晶是一个颗粒里面有多个晶粒，每个晶粒的晶格都是周期性排列的，具有各向同性。多晶是众多取向晶粒的单晶的集合，晶体是由许许多多的小晶粒组成。

单晶金刚石的应用有一定的缺点：由于有解理面，在磨削过程中一段时间后刃面磨损后容易钝化；单晶容易整体从基体中拔出失去磨削效果，不能充分发挥金刚石的效用，导致加工成本升高。为了克服单晶金刚石的不足，人们开始主要通过电镀的方法在金刚石表面镀镍、镀铜或镀钛等。如中国专利CN85100286B，及公开专利申请CN102286742.A，公开了金刚石表面金属化的方法。金刚石表面经过金属化以后，能解决金刚石不能与一般低熔点合金粘结和浸润的困难，这对制备金属基体的金刚石工具是有利的。中国专利200410096957.7还公开了一种金刚石表面涂覆玻璃涂覆金刚石镀钛复合结构及其方法，经过复合涂覆和金属镀处理的金刚石，体积增大，使得金刚石与基体的结合强度和把持力提高。但是这些方法制造工艺复杂，生产成本高，经过表面金属化的金刚石表面让然缺少活性基团，与陶瓷和树脂基体仍不能形成牢固的化学键结合，对提高金刚石工具的寿命和效果是有限的。

合成自锐性多晶金刚石是一项新技术，多晶金刚石磨粒由多个亚稳态金刚石微晶聚结而成团粒状颗粒，形状不如金刚石单晶规则，呈各种凸凹粗糙表面，磨削时在应力作用下，外部微晶粒逐层脱落的同时，露出新的锋利切削刃，而且磨削力小，被加工工件表面粗糙度低，多晶金刚石磨粒可以发挥充分效用，能解决单晶金刚石整体从基体中拔出、过早脱落的问题。中国专利CN101884933B，及公开专利申请CN102698758.A，公开了自锐性多晶金刚石合成用的触媒及其制备方法。中国公开专利申请CN102941038.A公开了一种高自锐性金刚石的合成工艺。

    可是，目前自锐性多晶金刚石产品产量低、品质低、强度过低、抗冲击韧性低，热稳定性差。本发明研究人员通过研究发现，多晶金刚石没有得到推广应用的主要原因是多晶金刚石品级低，综合性能差。开发高品级自锐性多晶金刚石，需要提高其抗冲击韧性、单产率、热稳定性等综合性能。本发明研究发现，自锐性多晶金刚石具有特定的多晶粒结晶构造，它的生长需要特定的合成条件与工艺技术，特别对一次升压保压，再二次增压的工艺曲线进行了优化程序设计。通过控制触媒的高效选择性和多晶体快速生长机制，以及自锐性多晶金刚石晶体生长的条件及压力温度匹配适应性；对触媒进行优选，确定触媒的主要化学成分是铁锰镍钴金属合金，辅加以微量稀土元素增加反应活性，触媒经真空熔炼，化学还原，降低触媒含氧量，气雾化成形。采用溶胶凝胶法原位聚合在多晶金刚石表面涂覆设定涂层厚度的莫来石氧化物包膜，进一步提高金刚石的高温热稳定性。经过合成工艺及原辅材料体系优化设计，提高生产产品的品级和质量，特别是能有效提高自锐性金刚石产品的抗冲击韧性和热稳定性，以达到提高自锐性多晶金刚石磨具的寿命和加工效率。

发明内容

本发明所要解决技术问题是提供一种能够提高自锐性多晶金刚石品级的合成工艺技术，通过触媒优选、原辅材料设计、合成块组装技术改进、控制特定的超高压高温合成条件与工艺曲线，采用触媒法在六面顶压机设备上合成高品级自锐性多晶金刚石。

为了解决上述问题采用以下技术方案：一种高品级自锐性多晶金刚石的合成工艺技术，包括如下步骤：

（1）把合成金刚石的原料碳源石墨、触媒、活性稀土元素、纳米金刚石，按照质量百分比计量、混料、造粒、压制成合成棒；所述原料的质量百分比为：碳源石墨25～30%、活性稀土元素0.008～0.02%、纳米金刚石0.5～0.8%、余量为触媒；

（2）由步骤（1）中压制成的合成棒放入合成块中，组装好的合成块放在真空干燥箱中恒温干燥备用；

（3）把步骤（2）组装好的合成块采用六面顶压机通过超高压高温合成；

（4）把步骤（3）合成后的合成棒取出，经后处理得到自锐性多晶金刚石，再通过溶胶凝胶法原位聚合，在金刚石表面包覆一层氧化锆涂层，即形成高品级自锐性多晶金刚石。