一种梯度功能化金刚石复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术的一种梯度功能化金刚石复合材料及其制备方法和应用，属于超硬复合材料应用的技术领域。复合材料是在金刚石单晶颗粒(4)表面由里及外依次包覆有化学键合层(1)、键合冶金结合层(2)和结合剂过渡连接层(3)，构成梯度功能层；各层组分按顺序分别是金属、Fe‑Cu‑Ni‑Sn四组元合金体系和Fe‑Cu二元基础合金或Fe‑Cu‑Sn三元基础合金。采用物理方法或化学方法实现各层的包覆。用于与其它结合剂一起烧结制成节块，再焊接制得切、磨、钻等工具制品。本发明专利技术的金刚石复合材料能大幅度改善工具胎体对金刚石的有效把持能力，改善金刚石工具的锋利度及寿命，将金刚石的有效利用率提高至50％以上。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度功能化金刚石复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于超硬复合材料应用的
，尤其涉及一种在人造金刚石单晶表面包覆3层具有不同功效的金属梯度功能材料，在金刚石表面依次形成化学键合层、键合冶金结合层、结合剂连接过渡层，有效改善金刚石制品中结合剂对金刚石的固结把持能力。
技术介绍
金刚石制品的性能关键是金刚石磨粒的有效利用率，其核心技术是结合剂固结胎体对金刚石的固结把持能力—机械卡固力，把持力的强弱主要与结合剂性质、对金刚石的润湿性、固结致密度、固结强度等因素有关。由于金刚石的表面既硬又滑，化学惰性极强，结合剂组分很难对其实施有效润湿与化合作用，因而也就难以有效固结把持金刚石，极大的阻碍了金刚石制品的性能发挥。如何有效提高结合剂对金刚石的固结把持力，一直是国内外金刚石制品行业所面临的共同技术难点。尽管金刚石表面金属化的镀覆技术已在行业内推广应用，如应用最为普遍的是金刚石的真空微蒸发镀技术，此外，还有在金刚石表面复合镀钛镍、镀钛镀镍镀铜复合结构(专利号CN100376720C)等技术，可以在金刚石表面形成厚度为几十埃至几百埃的镀覆层，镀覆元素可在金刚石表面形成一薄层物理附着层或化学键合层，但由于镀覆原材料(如钛粉)的质量稳定性波动及用户对镀覆技术及工艺的把握能力不足，常常会导致金刚石表面的金属镀覆层因未能形成稳定的化学键合层而不能有效发挥作用；或者虽然金刚石表面可形成化学键合层，但化学键合层较薄，其与胎体结合剂的冶金结合能力不足，胎体也无法有效把持金刚石，这些因素均影响结合剂对金刚石的有效固结把持，导致金刚石的利用率普遍低于30％。因此，金刚石制品行业仍亟需解决结合剂对金刚石形成稳定、持续、可靠的固结把持技术。本专利技术技术是对金刚石实施3层梯度功能化包覆，在金刚石界面处依次形成1次化学键合层、2次键合冶金结合层及3次结合剂过渡连接层。第1层实现包覆元素对金刚石界面的有效润湿及化学键合，第2层完成金刚石界面化学键合层与外层金属结合剂间的高强度冶金化结合，第3层完成冶金化包覆的金刚石复合粒子与制品胎体组分的过渡连接，由此对金刚石复合颗粒形成良好的预置性把持，将传统金刚石制品中胎体对金刚石的直接接触把持转化为胎体对金属功能层的把持，从根本上改变胎体对金刚石的把持性质、形式与能力，大幅度提升胎体对金刚石的把持力，将金刚石的有效利用率提高至50％以上。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术的金刚石制品中普遍存在的胎体对金刚石把持力低下的不足，提供一种可在金刚石界面处由里及外依次形成化学键合层、键合冶金结合层及结合剂过渡连接层的具有3种功能层的金刚石功能化复合粒子，可有效实现结合剂对金刚石的化学键合与物理卡固的双重把持，大幅度提高金刚石的有效利用率，改善金刚石工具的锋利度及寿命。本专利技术采用的技术方案是：首先采用物理方法(如真空蒸发镀覆、溅射镀覆或涂膜包覆)或化学方法(如熔盐反应包覆法)将碳化物形成元素Fe、Ti、Cr、W、V、Co中的一种或两种涂覆于金刚石单晶颗粒表面，形成一层以物理粘附或化学键合形式的1次金属界面化学键合层，此化学键合层可在涂覆过程中生成，亦可在涂覆后的加热烧结过程中形成，由此实现金刚石界面的键合功能化。在1次金属界面功能层外，均匀包覆一层Fe-Cu-Ni-Sn成分体系的400目以细的水雾化预合金粉末而形成2次功能层，以质量浓度0.5～1.0％的聚乙烯吡咯烷酮K90的酒精溶液为粘结剂，对已完成1次功能化包覆的金刚石颗粒进行2次涂覆，涂覆后自然干燥。此2次功能层对1次功能层形成有效保护，并能在与结合剂烧结制成节块过程中与1次功能层间形成高强度的冶金结合，从而架起了金刚石界面与基础胎体之间的高强度连接桥梁，有效实现了对金刚石的功能化固结把持。在2次功能层外，以聚乙烯吡咯烷酮K90为粘接剂，再包覆一层水雾化Fe-Cu或Fe-Cu-Sn二元/三元基础合金粉末而形成3次功能层，与工具胎体的其它任何组分的金属结合剂间均可形成良好的过渡结合，从而实现经2次功能化包覆的金刚石复合粒子与胎体基础组分间的有效结合。由此，经过3次功能化包覆的金刚石复合粒子，可有效实现与其它结合剂体系的功能化过渡结合，大幅度改善工具胎体对金刚石的有效把持能力，提高金刚石工具的综合效能。本专利技术梯度功能化金刚石复合材料的具体技术方案如下。一种梯度功能化金刚石复合材料，在金刚石单晶颗粒4表面包覆有化学键合层1；其特征在于，在化学键合层1表面由里及外依次有键合冶金结合层2和结合剂过渡连接层3，化学键合层1、键合冶金结合层2和结合剂过渡连接层3构成梯度功能层；所述的化学键合层1，组分是金属Fe、Ti、Cr、W、V、Co中的一种或两种；所述的键合冶金结合层2，组分是Fe-Cu-Ni-Sn四组元合金体系，并混有粘接剂实现粘接；所述的结合剂过渡连接层3，组分是Fe-Cu二元基础合金或Fe-Cu-Sn三元基础合金，并混有粘接剂实现粘接；其中，梯度功能层的总质量为所包覆的金刚石单晶颗粒4质量的30％～50％，化学键合层1的质量份数占梯度功能层总质量的1％～10％，键合冶金结合层2的质量份数占梯度功能层总质量的60％～80％，结合剂过渡连接层3的质量份数占梯度功能层总质量的20％～30％；所述的粘接剂，是质量浓度为0.5％～1.0％的聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液。所述的金刚石单晶颗粒4，为较大的颗粒，可选择粒度为170目以粗。所述的Fe-Cu-Ni-Sn四组元合金体系，组分按质量计为50％～90％Fe、5％～35％Cu、1％～10％Ni、0.5％～5％Sn。所述的Fe-Cu二元基础合金，组分按质量计为70％～90％Fe、10％～30％Cu。所述的Fe-Cu-Sn三元基础合金组分重量份数为70％～90％Fe、10％～30％Cu、0.5％～3％Sn。本专利技术梯度功能化金刚石复合材料制备方法的具体技术方案如下。一种梯度功能化金刚石复合材料的制备方法，在金刚石单晶颗粒4表面包覆化学键合层1，所述的包覆化学键合层1，是以Fe、Ti、Cr、W、V、Co中的一种或两种金属粉末为包覆原料，采用物理方法或化学方法实现包覆；其特征在于，在化学键合层1表面依次包覆键合冶金结合层2和结合剂过渡连接层3，构成金刚石单晶表面的梯度功能层，制得梯度功能化金刚石复合颗粒；键合冶金结合层2和结合剂过渡连接层3的包覆过程均采用质量浓度为0.5％～1.0％的聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液为粘接剂；所述的包覆键合冶金结合层2，是以Fe-Cu-Ni-Sn四组元合金粉末为包覆原料，与粘接剂混合搅拌后采用旋转式包衣设备包覆在表面已包覆了化学键合层1的金刚石单晶颗粒上，经分散自然干燥；所述的包覆结合剂过渡连接层3，是以Fe-Cu二元基础合金粉末或Fe-Cu-Sn三元基础合金粉末为包覆原料，与粘接剂混合搅拌后采用旋转式包衣设备包覆在表面已包覆了键合冶金结合层2的金刚石单晶颗粒上，经分散自然干燥。所述的Fe-Cu-Ni-Sn四组元合金粉末，最好是由水雾化工艺制备的400目的预合金粉末；所述的Fe-Cu二元基础合金粉末或Fe-Cu-Sn三元基础合金粉末，最好是由水雾化工艺制备的200目的预合金粉末。比较好的Fe-Cu-Ni-Sn四组元合金粉末，组分按质量计为65％Fe-25％Cu-5％N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种梯度功能化金刚石复合材料，在金刚石单晶颗粒(4)表面包覆有化学键合层(1)；其特征在于，在化学键合层(1)表面由里及外依次有键合冶金结合层(2)和结合剂过渡连接层(3)，化学键合层(1)、键合冶金结合层(2)和结合剂过渡连接层(3)构成梯度功能层；所述的化学键合层(1)，组分是金属Fe、Ti、Cr、W、V、Co中的一种或两种；所述的键合冶金结合层(2)，组分是Fe‑Cu‑Ni‑Sn四组元合金体系，并混有粘接剂实现粘接；所述的结合剂过渡连接层(3)，组分是Fe‑Cu二元基础合金或Fe‑Cu‑Sn三元基础合金，并混有粘接剂实现粘接；其中，梯度功能层的总质量为所包覆的金刚石单晶颗粒(4)质量的30％～50％，化学键合层(1)的质量份数占梯度功能层总质量的1％～10％，键合冶金结合层(2)的质量份数占梯度功能层总质量的60％～80％，结合剂过渡连接层(3)的质量份数占梯度功能层总质量的20％～30％；所述的粘接剂，是质量浓度为0.5％～1.0％的聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液。

【技术特征摘要】
1.一种梯度功能化金刚石复合材料，在金刚石单晶颗粒(4)表面包覆有化学键合层(1)；其特征在于，在化学键合层(1)表面由里及外依次有键合冶金结合层(2)和结合剂过渡连接层(3)，化学键合层(1)、键合冶金结合层(2)和结合剂过渡连接层(3)构成梯度功能层；所述的化学键合层(1)，组分是金属Fe、Ti、Cr、W、V、Co中的一种或两种；所述的键合冶金结合层(2)，组分是Fe-Cu-Ni-Sn四组元合金体系，并混有粘接剂实现粘接；所述的结合剂过渡连接层(3)，组分是Fe-Cu二元基础合金或Fe-Cu-Sn三元基础合金，并混有粘接剂实现粘接；其中，梯度功能层的总质量为所包覆的金刚石单晶颗粒(4)质量的30％～50％，化学键合层(1)的质量份数占梯度功能层总质量的1％～10％，键合冶金结合层(2)的质量份数占梯度功能层总质量的60％～80％，结合剂过渡连接层(3)的质量份数占梯度功能层总质量的20％～30％；所述的粘接剂，是质量浓度为0.5％～1.0％的聚乙烯吡咯烷酮K90酒精溶液。2.根据权利要求1所述的梯度功能化金刚石复合材料，其特征在于，所述的金刚石单晶颗粒(4)，粒度为170目以粗。3.根据权利要求1或2所述的梯度功能化金刚石复合材料，其特征在于，所述的Fe-Cu-Ni-Sn四组元合金体系，组分按质量计为50％～90％Fe、5％～35％Cu、1％～10％Ni、0.5％～5％Sn。4.根据权利要求1或2所述的梯度功能化金刚石复合材料，其特征在于，所述的Fe-Cu二元基础合金，组分按质量计为70％～90％Fe、10％～30％Cu。所述的Fe-Cu-Sn三元基础合金组分重量份数为70％～90％Fe、10％～30％Cu、0.5％～3％Sn。5.一种权利要求1的梯度功能化金刚石复合材料的制备方法，在金刚石单晶颗粒(4)表面包覆化学键合层(1)，所述的包覆化学键合层(1)，是以Fe、Ti、Cr、W、V、Co中的一种或两种金属粉末为包覆原料，采用物理方法或化学方法实现包覆；其特征在于，在化学键合层(1)表面依次包覆键合冶金结合层(2)和结合剂过渡连接层(3)，构成金刚石单晶表面的梯度功能层，制得梯度功能化金刚石复合颗粒；键合冶金...

【专利技术属性】
技术研发人员：董书山，孙双双，李鹏旭，徐航，陶强，朱品文，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22