一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片及其制备方法技术

本发明专利技术一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片及其制备方法，提出了一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片及其制备方法，主要由硬质合金层，普通金刚石微粉层以及混料金刚石微粉层三个组成部分自下而上阶梯平铺后经过预压制备坯体，而后经过高温高压烧结形成复合结构。所述聚晶金刚石复合片在保证其自身强度的前提下，通过在粉体中添加MAX润滑相，使得聚晶金刚石复合片获得自润滑特性。所述聚晶金刚石复合片克服了聚晶金刚石复合材料在真空下润滑剂选择受限的困难，使得聚晶金刚石复合片在真空条件下的使用更加高效，延长了其在真空环境下的服役寿命。

A polycrystalline diamond composite sheet with self-lubricating characteristics and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片及其制备方法
本专利技术设计超硬材料工具设计及制备领域，具体涉及到一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片及其制备方法。
技术介绍
烧结聚晶金刚石复合片是一种以金刚石微粉为原料，经过高温高压烧结合成的新型复合材料。由于其具有高硬度、高耐磨及优良的导热性能，其广泛应用于拉丝模具、地质钻探、硬质材料切削刀具等方面。随着空间技术的不断发展，空间环境钻探及开采逐渐成为新的挑战。然而聚晶金刚石工件在外太空环境下的使用存在问题，由于太空下高真空环境的影响，传统烧结聚晶金刚石工具在服役过程中会产生严重的黏着现象，使得金刚石工具在服役过程中表面剪切力过大，导致失效。而在真空环境下润滑剂的选择受到环境限制，因此开发一种具备自润滑特性的聚晶金刚石材料对于其太空中的应用有着重要意义。聚晶金刚石在真空条件下产生高黏着的主要原始是摩擦配副两端的材料的粘附作用导致的。在大气条件下，聚晶金刚石材料与其对磨副在高真空条件下表面会吸附大气中的水分子以及其他物质形成吸附层，从而钝化表面悬键。但出于真空条件下时，聚晶金刚石材料及其对磨副表面的吸附层在真空环境的作用下解吸附，被钝化的悬键重新裸露。随着界面的不断滑动，摩擦界面处的对磨副两端发生键合，从而产生黏着。这是聚晶金刚石材料在真空下摩擦学性能较差的主要原因。因此在改善聚晶金刚石材料真空摩擦磨损性能的研究中，寻找一种能够减轻粘附、降低摩擦同时不影响聚晶金刚石自身强度的添加材料尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于植被一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片，其结构为复合结构，包含底层的硬质合金基体层，中间层的普通金刚石微粉层，和最表层的混料金刚石微粉层，硬质合金基体由WC-Co硬质合金制备。在烧结聚晶金刚石粉料中均匀添加MAX相，通过对其含量、粒度和放置位置的专门设计，达到在保证金刚石颗粒结合强度的基础上改善聚晶金刚石的摩擦磨损性能的目的，添加润滑相MAX相应当与金刚石粉体混料均匀，在不影响聚晶金刚石复合片烧结强度的条件使得聚晶金刚石材料在摩擦过程中具备自润滑特性，以解决上述
技术介绍
中提出的一步提升聚晶金刚石材料的摩擦磨损性能，使其获得更加高效长时的服役性能的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片，其结构为复合结构，包含底层的硬质合金基体层，中间层的普通金刚石微粉层，和最表层的混料金刚石微粉层。所述硬质合金基体由WC-Co硬质合金制备。所述普通金刚石微粉层的金刚石微粉平均粒径为20~30μm；混料金刚石微粉层包含金刚石粉体以及MAX相润滑剂，所述金刚石粉体的平均粒径为10~20μm。MAX相可选用Ti3SiC2、Ti2AlC、Ti3GeC2、Ti3(Si,Ge)C2中的一种或多种；所述金刚石粉体以及MAX相润滑剂的混料配比，按质量百分含量计算应当为金刚石粉体：MAX相=1:0.1~0.3。MAX相的中值粒径D50=5~8μm，所述MAX相的分布方式为完全均匀散布在所述聚晶金刚石复合片中，或以相对集中的岛屿状分布在所述聚晶金刚石复合片中，所述岛屿的直径范围不超过5mm。一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片的制备方法，其包括以下步骤：步骤1，采用粒径为20-30μm以及粒径为10-20μm的人造金刚石粉体，依次在NaOH和HNO3溶液中煮沸30min并用蒸馏水漂洗2-3次进行表面净化处理。步骤2，通过球磨法对在净化处理过后的粒径10-20μm人造金刚石粉体中均匀添加MAX相，将金刚石粉体与MAX相以1:0.1~0.3(wt%)的配比加入球磨罐中，MAX相可选用Ti3SiC2、Ti2AlC、Ti3GeC2、Ti3(Si,Ge)C2中的一种或多种，其中球料比为1.8~2:1。使用SiC研磨球在无水乙醇介质的环境下球磨18~20h。对球磨后的粉体混料应当进行无水乙醇的超声清洗后至于真空加热干燥箱中烘干以尽量去除粉体表面附着官能团。利用液压机把粉料压制成坯，将毛坯真空还原后放入叶腊石块中组装并放入压机中进行高压热烧结，最终获得具备自润滑特性的聚晶金刚石复合材料。步骤3，将金刚石与MAX相以一定配比加入球磨罐中。使用碳化硅研磨球在无水乙醇介质的环境下球磨18~20h。对球磨后的粉体混料应当进行无水乙醇的超声清洗后至于真空加热干燥箱中以尽量去除粉体表面附着官能团后烘干备用。利用液压机把粉体混料压制成坯，为保证基体与金刚石层的烧结强度，胚体预制过程中，硬质合金基体层、普通金刚石微粉层、混料金刚石微粉层应当分层平铺放置。步骤4，将毛坯真空还原后放入叶腊石块中组装并放入压机中进行高压热烧结，获得聚晶金刚石复合材料；步骤5，将获得的聚晶金刚石复合材料进行适当的后处理。上述步骤（1）中，所述酸洗及碱洗步骤应使用10wt.%NaOH和30wt.%HNO3溶液并高温煮沸不少于30min。上述步骤（2）中，所述混料金刚石粉体一定配比应当为金刚石微粉：MAX相=1:0.1~0.3(wt%)。上述步骤（2）中，所使用MAX相包括但不限于Ti3SiC2、Ti2AlC、Ti3GeC2、Ti3(Si,Ge)C2中的一种或几种混合。上述步骤（2）中，使用固体润滑剂颗粒粒径应在中值粒径D50=5-8μm。上述步骤（2）中，球磨所使用的研磨球应当选用碳化硅磨球，球磨转速控制在180-200rpm，球料比1.8~2:1，球磨时间不少于18h。上述步骤（2）中，球磨后的粉体混料应当在酒精中重新超声清洗不少于30min后置于真空加热干燥箱中烘干。上述步骤（2）中，烘干过后应当对处理后混料抽样进行红外光谱分析，已确认其表面附着官能团被去除。上述步骤（3）中，硬质合金基体应选用WC-Co硬质合金。上述步骤（3）中，未混料金刚石微粉层厚度应当为0.2-0.5mm，混料金刚石微粉层厚度应当为0.5-0.8mm。上述步骤（3）中，对最表层混料金刚石粉体排布方式应针对不同需求进行结构设计，可根据对耐磨性与服役寿命的不同需求设计均匀混料金刚石微粉层或岛屿状分布金刚石微粉层，其中岛屿状分布直径应不超过5mm。上述步骤（3）中，液压机压制时压力应达到30MPa以上，真空还原的时间要大于24h。上述步骤（4）中，所述高温高压烧结聚晶金刚石复合材料的工艺可以为：高压为40-65MPa，加热电流为20-45A，加热台阶为30-35MPa。上述步骤（4）中，合成中心压力要达到5.5GPa以上，温度需要控制在600-700℃维持1-2min以后升至1300-1450℃使粘接剂熔融并与金刚石复合粉体充分接触。上述步骤（5）中，所述的后处理方式可以为适当的表面抛光研磨及表面防护处理。在烧结和摩擦过程中，所述聚晶金刚石复合片的摩擦表面包含SiC和TiC析出相。本专利技术通过在制备过程中添加润滑相制备具有自润滑性能的聚晶金刚石复合片。MAX相(包括Ti3SiC2、Ti2AlC等)是一类具有层状晶体结构的碳化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，其结构为复合结构，包含底层的硬质合金基体层，中间层的普通金刚石微粉层，和最表层的混料金刚石微粉层。/n

【技术特征摘要】
1.一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，其结构为复合结构，包含底层的硬质合金基体层，中间层的普通金刚石微粉层，和最表层的混料金刚石微粉层。


2.如权利要求1所述的一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述硬质合金基体由WC-Co硬质合金制备。


3.如权利要求1所述的一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述普通金刚石微粉层的金刚石微粉平均粒径为20~30μm；混料金刚石微粉层包含金刚石粉体以及MAX相润滑剂，所述金刚石粉体的平均粒径为10~20μm。


4.如权利要求3所述的一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，MAX相可选用Ti3SiC2、Ti2AlC、Ti3GeC2、Ti3(Si,Ge)C2中的一种或多种；所述金刚石粉体以及MAX相润滑剂的混料配比，按质量百分含量计算应当为金刚石粉体：MAX相=1:0.1~0.3。


5.如权利要求3所述的一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，MAX相的中值粒径D50=5~8μm，所述MAX相的分布方式为完全均匀散布在所述聚晶金刚石复合片中，或以相对集中的岛屿状分布在所述聚晶金刚石复合片中，所述岛屿的直径范围不超过5mm。


6.一种具备自润滑特性的聚晶金刚石复合片的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，将金刚石粉体依次酸洗与碱洗进行表面净化处理，将平均粒径为10~20μm的金刚石粉体与MAX相以一定配比加入球磨罐中，使用碳化硅研磨球在无水乙醇介质的环境下球磨混料，对球磨后的粉体混料应当进行无水乙醇的超声清洗后置于真空加热干燥箱中以尽量去除粉体表面附着官能团后烘干备用，从而获得表面粘附有所述MAX相的金刚石粉体；
步骤二，利用液压机把粉体混料压制成坯...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳文，张海潮，佘丁顺，田斌，康嘉杰，孟德忠，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11