一种超厚多晶金刚石复合材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种超厚多晶金刚石复合材料，包括多晶金刚石层和硬质合金基体，硬质合金基体为含钴基体，多晶金刚石复合材料的直径≥30mm，多晶金刚石层的厚度≥3mm。上述复合材料的制备方法：硬质合金基体与至少一层多晶金刚石微粉层堆叠，其中，硬质合金基体与一层多晶金刚石微粉层堆叠时，在多晶金刚石微粉层的一面与硬质合金基体接触、另一面与钴源层接触；硬质合金基体与至少两层多晶金刚石微粉层堆叠时，多晶金刚石微粉层之间铺设钴源层；然后采用高温高压烧结的方法制备获得超厚多晶金刚石复合层。采用本发明专利技术提供的技术，可获得耐磨性、抗冲击等性能符合要求的超厚多晶金刚石复合材料，该材料可直接用于切割制备机械加工刀具。

A kind of super thick polycrystalline diamond composite material, preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种超厚多晶金刚石复合材料、制备方法及其应用
本专利技术涉及机械加工材料
，具体涉及一种超厚多晶金刚石复合材料、制备方法及其应用。
技术介绍
多晶金刚石复合材料(又称金刚石复合片，英文名：PolycrystallineDiamond，常简称PCD)广泛应用于制作超硬刀具。相比于传统硬质合金、工具钢、陶瓷等材料制作的刀具，多晶金刚石复合材料制作的刀具具有高速高效、节能环保、高加工精度、高加工表面光洁度、高耐磨、高寿命、高导热率等优点。多晶金刚石复合材料是将多晶金刚石层与硬质合金(WC-Co合金)基体在高温(1500℃左右)高压(6GPa左右)下烧结复合而成的。用于制作超硬刀具的金刚石复合片成品，其多晶金刚石层厚一般不超过1mm，通常为0.3mm-0.8mm。随着PCD刀具在加工领域的应用扩展，以及制造业(如汽车、航空航天、电子、能源等行业)中难加工材料的普遍使用，尤其是针对玻璃、陶瓷、碳纤维复合材料、高温合金、高粘性金属等材料的高速高效高精度加工需求，待加工工件的工作面厚度较大，一般的薄多晶金刚石层的PCD(多晶金刚石工作层通常为0.5mm左右，一般大于0.2mm，小于3mm)难以满足加工需求，加工使需要反复加工，加工效率低，反复加工过程中又存在前后加工轨迹不重合，加工精度不达标，需要后续精加工，且反复加工过程中磨损问题严重，需要频繁更换刀具，影响加工效率，不利于流水线自动批量作业。若为满足加工需求，可通过焊接等方式拼接刀具的工作层，这样就存在结构复杂、刀具制作成本高的不足，且脆性高、抗冲击性不足、拼(焊)接处易开裂脱层、使用寿命低。但传统方法制作的大直径(直径≥30mm)金刚石复合片，其多晶金刚石层厚通常小于1mm，很难超过2mm。主要原因如下：1)多晶金刚石复合材料是将多晶金刚石微粉层与硬质合金(WC-Co合金)基体在高温(1500℃左右)高压(6GPa左右)下烧结复合而成的，在烧结过程中，硬质合金基体中的钴通过熔化渗透多晶金刚石微粉层，称之为“高压高温熔渗烧结法”，但当多晶金刚石微粉层大于2mm时，硬质合金基体中的钴难以完全渗透多晶金刚石微粉层；2)多晶金刚石层厚大于2mm的PCD，容易在多晶金刚石层与硬质合金基体界面处产生应力集中，并容易发生脱层，主要是因为多晶金刚石层与硬质合金基体的力学性质(如弹性模量等)与热学性质(如热膨胀系数)差别大，在制备、加工与使用过程中，由于力、热的作用，两种材料的体积变化不匹配，容易在界面处产生应力积聚；3)多晶金刚石层厚大于2mm的PCD，由于在高温高压烧结过程中，基体中的钴在多晶金刚石层中的熔渗距离长，将导致金刚石晶粒异常长大等的现象发生，使得多晶金刚石层的一致性、均匀性不能满足后继加工和使用要求。综上所述，超厚多晶金刚石复合材料难以通过传统的“高压高温熔渗烧结法”制备，即使勉强得到，也不能在性能上满足使用要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：一般的薄多晶金刚石层的PCD(1mm左右)难以满足加工需求，本专利技术提供了解决上述问题的一种超厚多晶金刚石复合材料。本专利技术通过下述技术方案实现：一种超厚多晶金刚石复合材料，通过高温高压烧结制备获得，多晶金刚石复合材料包括多晶金刚石层和硬质合金基体，所述硬质合金基体为含钴基体，多晶金刚石复合材料片型的直径≥30mm，所述多晶金刚石层的厚度≥3mm。本专利技术的含钴基体包括含钴碳化钨合金基体。为了提高金刚石刀具加工效率、加工质量，常规的做法就是改进刀具的加工工艺、或者改进刀具本身结构，而本专利技术另辟蹊径，从制作刀具的金刚石材料入手，通过提供一种超厚多晶金刚石复合材料，有效解决了现有薄金刚石刀具加工过程中存在的加工效率低、寿命低等问题。本专利技术提供的超厚多晶金刚石复合材料，可通过进一步加工成型的各种钻、铣、镗、锪、切、磨刀具，其多晶金刚石工作层可大于3mm，垂直于多晶金刚石层和硬质合金基体界面的刃口长度亦可大于3mm，适用于超厚待加工面的加工处理，尤其是针对玻璃、陶瓷、碳纤维复合材料、高温合金、高粘性金属等材料的高速高效高精度加工需求。表现出如下优势：1、加工效率高例如，为避免金属材质表面屏蔽信号，5G手机后盖采用玻璃或陶瓷等非金属无机材料制作而成，厚度在1mm-2mm或更厚，热轧形成，初始加工获得的半成品存在边缘不光滑、表面粗糙、尺寸不到位等问题，需要采用轮廓刀修正轮廓。此时常采用金刚石复合材料制作轮廓刀，以对半成品轮廓的弧度修正。而常规的0.5mm厚度多晶金刚石层的复合片制作的轮廓刀工作层厚度太薄，不能一次性修正，需要来回反复多次修正、精磨，加工效率低。而采用本专利技术超厚多晶金刚石复合材料制作的轮廓刀，其多晶金刚石工作层、即刃口长度均可与实际待加工面匹配，可对上述厚层难加工材料工件一次性加工到位；加工同样的工件，在加工时间上，采用本专利技术超厚材料制作的金刚石刀具大约节省了80％甚至更多。2、加工质量高例如，采用上述0.5mm的复合片制作的金刚石轮廓刀对半成品轮廓的弧度修正，不能一次性修正加工到位，需要来回反复多次修正，在来回反复加工过程中，容易产生不对接的台阶面，还需要精修打磨才能保障最终的质量。而本专利技术超厚多晶金刚石复合材料制作的刀具可一次性加工到位后，不存在台阶等缺陷，一次性修正轮廓效率高、质量高、表面洁度好，本专利技术可达到表面粗糙度≤0.1mm。3、稳定性好，使用寿命长例如，飞机表面的碳纤维材料，是一种加工难度非常大的非金属纤维材料，初步加工不能得到光洁的表面，需采用轮廓刀修磨。又如，该碳纤维材料表面厚度5mm或更厚，采用薄多晶金刚石工作层的刀具，在上面钻孔，需要在韧口处焊接金刚石复合层，结构复杂，脆性大，易开裂脱落、修磨操作复杂，寿命不高，冲击易碎，钻一个孔可能需要耗费几个钻头，磨损严重。而采用本专利技术提供的多晶金刚石复合材料制作的刀具，钻5mm的孔，可以直接开刃开到5mm深度，轮廓修磨或钻孔工作面完全可达到加工要求，无需拼(焊)接工作层面，不存在焊接面、结构简单、整体稳定性好，1mm厚度多晶金刚石层的复合片没法直接制作长刃口麻花钻头。此外，如手机后盖轮廓修磨，由于薄的刀具需要反复来回修磨，对刀具的磨损较大，本专利技术超厚刀刀具寿命可加工500个工件，而对于0.5mm的复合片刀具寿命只能加工10个工件，就会报废；这对于工业生产流水线，薄的刀具磨损严重，人工更换频繁，增大了刀具的成本、人工成本以及停工更换成本。进一步地，所述多晶金刚石复合材料片的直径为30mm～110mm，所述多晶金刚石层的厚度为3mm～10mm。一种超厚多晶金刚石复合材料的制备方法，用于制备上述的一种超厚多晶金刚石复合材料，其特征在于，硬质合金基体与至少一层多晶金刚石微粉层堆叠，其中，硬质合金基体与一层多晶金刚石微粉层堆叠时，在多晶金刚石微粉层的一面与硬质合金基体接触、另一面与钴源层接触；硬质合金基体与至少两层多晶金刚石微粉层堆叠时，多晶金刚石微粉层之间铺设钴源层；然后采用高温高压烧结的方法制备获得超厚多晶金刚石复合层。但传统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超厚多晶金刚石复合材料，通过高温高压烧结制备获得，多晶金刚石复合材料包括多晶金刚石层和硬质合金基体，所述硬质合金基体为含钴基体，其特征在于，多晶金刚石复合材料片型的直径≥30mm，所述多晶金刚石层的厚度≥3mm。/n

【技术特征摘要】
1.一种超厚多晶金刚石复合材料，通过高温高压烧结制备获得，多晶金刚石复合材料包括多晶金刚石层和硬质合金基体，所述硬质合金基体为含钴基体，其特征在于，多晶金刚石复合材料片型的直径≥30mm，所述多晶金刚石层的厚度≥3mm。


2.根据权利要求1所述的一种超厚多晶金刚石复合材料，其特征在于，所述多晶金刚石复合材料片的直径为30mm～110mm，所述多晶金刚石层的厚度为3mm～10mm。


3.一种超厚多晶金刚石复合材料的制备方法，用于制备权利要求1或2所述的一种超厚多晶金刚石复合材料，其特征在于，硬质合金基体与至少一层多晶金刚石微粉层堆叠，其中，硬质合金基体与一层多晶金刚石微粉层堆叠时，在多晶金刚石微粉层的一面与硬质合金基体接触、另一面与钴源层接触；硬质合金基体与至少两层多晶金刚石微粉层堆叠时，多晶金刚石微粉层之间铺设钴源层；然后采用高温高压烧结的方法制备获得超厚多晶金刚石复合层。


4.根据权利要求3所述的一种超厚多晶金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，所述钴源层包括钴片、含钴合金、经高温高压烧结获得的多晶金刚石复合片。


5.根据权利要求4所述的一种超厚多晶金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，所述钴源层的厚度为0.02mm-10mm。


6.根据权利要求4所述的一种超厚多晶金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，所述钴合金中钴的质量百分含量为2％-20％。

【专利技术属性】
技术研发人员：贺端威，杨缤维，
申请(专利权)人：成都比拓超硬材料有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51