金刚石芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具技术

本发明专利技术提供一种金刚石芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具，属于超硬质材料技术领域。金刚石芯纳米聚晶材料包括内核和外壳，内核包括纳米金刚石，外壳包括B－C－N固溶体。金刚石芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：将纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体通过湿混在超声条件下填充进入氮化硼纳米管内得到填充体，将填充体在真空的条件下处理，再预压成型得到坯件；将坯件烧结固溶强化得到金刚石芯纳米聚晶材料。此金刚石芯纳米聚晶材料能够解决现有技术中立方氮化硼硬度不高和金刚石切削石墨化的技术问题，热稳定性和硬度同时提高、以及耐磨损性能增强，能够用来制备超硬刀具。

Diamond Core Nanocrystalline Material, Its Preparation Method and Super Hard Tool

The invention provides a nanocrystalline diamond core material, a preparation method thereof and a superhard cutting tool, belonging to the technical field of superhard materials. Diamond core nanocrystalline materials include core and shell, core includes nano-diamond, and shell includes B-C-N solid solution. The preparation method of nano-polycrystalline diamond core material includes the following steps: filling nano-diamond powder or nano-carbon powder containing part of nano-diamond powder into boron nitride nanotubes by wet mixing under ultrasonic conditions to obtain the filler, treating the filler in vacuum, pre-pressing and forming the blank; sintering solid solution strengthening of the blank to obtain the diamond core nano Rice polycrystalline material. The nano-polycrystalline diamond core material can solve the technical problems of low hardness of cubic boron nitride and graphitization in diamond cutting, improve thermal stability and hardness as well as wear resistance, and can be used to prepare superhard cutting tools.

【技术实现步骤摘要】
金刚石芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具
本专利技术涉及超硬质材料
，具体而言，涉及一种金刚石芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具。
技术介绍
现有技术中，通常使用单独的金刚石或者单独的立方氮化硼(PCBN，PolycrystallineCubicBoronNitride)作为超硬刀具切削材料。金刚石由于热稳定性较差，在空气中约600℃开始氧化，而且金刚石在高温下易于与黑色金属发生化学反应，因此工业上无法应用于切削淬硬钢等材料；立方氮化硼可以切削淬硬钢，但是很少用于加工石材等更硬的材质，因为立方氮化硼硬度只有金刚石的一半，对高硬度材质的加工效率较低。在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现现有技术知识存在如下问题：金刚石在对黑色金属进行切削时容易石墨化，而立方氮化硼的硬度较金刚石的低，对于高硬度的材料进行切削的效果不好。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种金刚石芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具，形成核壳结构，使材料的热稳定性、化学惰性和硬度提高，耐磨损性能增强。第一方面，本专利技术实施例提供一种金刚石芯纳米聚晶材料，包括内核和外壳，内核包括纳米金刚石，外壳包括B－C－N固溶体。由于形成了纳米金刚石内核和B－C－N固溶体外壳，在进行金属切削的过程中，外壳的B－C－N固溶体与金属材料接触，避免金刚石发生石墨化，且由于金刚石为金刚石芯纳米聚晶材料的内核，在使用金刚石芯纳米聚晶材料进行切削的过程中，B－C－N固溶体内的基体结构纳米金刚石不会发生坍塌，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。结合第一方面，在一种可能的实现方式中，外壳的氮原子、硼原子与碳原子之间形成三维网状、强共价键的致密外壳结构。使外壳的B－C－N固溶体与内核的纳米金刚石的连接更加稳定，晶界严密闭合，使硼原子、碳原子和氮原子之间形成高原子密度结构，进一步提高金刚石芯纳米聚晶材料的性能。第二方面，本专利技术实施例提供了一种金刚石芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：将纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体通过湿混在超声条件下填充进入氮化硼纳米管内得到填充体，后将填充体在真空的条件下处理，再预压成型得到坯件；将坯件烧结固溶强化得到金刚石芯纳米聚晶材料。通过湿混和超声处理，能够克服纳米材料本身的势垒，将纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体定向填充进入氮化硼纳米管内形成填充体，且在真空的条件下处理，排出氮化硼管内的气体，能够使纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体和氮化硼纳米管之间的连接更加紧密，再预压成型，减少初始材料颗粒之间的空隙，提高纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体与氮化硼管之间及填充体材料之间的致密性，并通过烧结固溶强化，使得到的金刚石芯纳米聚晶材料的表面为B－C－N固溶体，内核为纳米金刚石且表面与内核的结构的晶界连接更加致密。通过纳米颗粒填充氮化硼管，最终定向制备以金刚石为内核与B－C－N固溶体为外壳的金刚石芯纳米聚晶材料，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且热稳定性和化学惰性提高，耐磨性能增强。现有技术中，金刚石与立方氮化硼的机械混合会导致部分没有形成固溶体表层的金刚石或者立方氮化硼暴露在块体材料表面，或者强度较低的立方氮化硼为内核的金刚石－立方氮化硼合金，不能够达到定向制备的效果。结合第二方面，在一种可能的实现方式中，将将纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体通过湿混在超声条件下填充进入氮化硼纳米管内得到填充体，包括：将1－9重量份的纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体与1－9重量份的氮化硼纳米管混合得到混合物，将所述混合物在超声频率为20Hz－200Hz的条件下进行振动湿混得到填充体，经过超声混合，使得填充更均匀。其中，纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体的粒径可以是2－500nm，氮化硼纳米管的内径可以是20－5000nm，均匀混合填充时，且保证纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体的粒径小于氮化硼管体的内径，以便纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体填充进入氮化硼纳米管内。能够有更多的纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体填充进入氮化硼纳米管内，使最终得到的B－C－N固溶体外壳与纳米金刚石内核的连接更加紧密，使内核与外壳之间形成B－C－N固溶体，进一步增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，处理在真空度为(4－10)×10－3Pa、温度为800－1400℃的条件下处理0.5－3h。使纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体与氮化硼纳米管之间的处理效果更好，进一步提高连接的紧密型，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，预压成型在压强为1－30MPa的条件下预压1－20min得到坯件。使预压成型的效果更好，进一步提高金刚石晶体与B－C－N固溶体之间的致密性，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，固溶强化是将坯件在温度为1000－3000℃，压强为5－30GPa的条件下烧结固溶强化10s－120min。固溶强化的效果更好，进一步使纳米金刚石与B－C－N固溶体外壳的连接更加致密，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，高温高压烧结的装置为六面顶压机或者基于六面顶压机的任何变异体超高压装置。结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，混合物在处理之前，于温度为50－200℃的条件下使用3－5重量份的理处剂进行表面处理。能够去除纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体和氮化硼纳米管表面的杂质，避免杂质影响外壳B－C－N固溶体与内核纳米金刚石之间的连接，进一步使纳米金刚石与B－C－N固溶体的连接紧密性，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，理处剂选自氢氟酸、王水、盐酸、硫酸和硝酸中的任意一种。使杂质(主要是一些吸附有机物)的去除效果更好，例如：对醇类物质的去除效果更好。结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，湿混是用10－16重量份的酒精均匀湿混。经过湿混，纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体更加容易填充进入氮化硼纳米管内，使后续的制备效果更好，使最终得到的B－C－N固溶体外壳与纳米金刚石内核的连接更加紧密。第三方面，本专利技术实施例提供了一种超硬刀具，超硬刀具的制作原料包括金刚石芯纳米聚晶材料。将金刚石芯纳米聚晶材料首先加工成等高的圆柱体，两端抛光平整之后，加工成边长和厚度均为2－3mm的三角柱体，然后在真空度为(1－10)×10－3Pa、温度为800－1000℃的条件下与金属合金基底焊接，然后用激光加工成半径为0.4－0.8mm的刀尖圆弧的金刚石芯纳米聚晶超硬刀具。超硬刀具由金刚石芯纳米聚晶材料制成，在切割金属的时候，外壳B－C－N固溶体与金属接触，避免纳米金刚石石墨化，且强度较高，切割效果更好，在切割石材如花岗岩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石芯纳米聚晶材料，其特征在于，包括内核和外壳，所述内核包括纳米金刚石，所述外壳包括B－C－N固溶体。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石芯纳米聚晶材料，其特征在于，包括内核和外壳，所述内核包括纳米金刚石，所述外壳包括B－C－N固溶体。2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述外壳的氮原子、硼原子与碳原子之间形成三维网状、强共价键的致密外壳结构。3.一种权利要求1或2所述的金刚石芯纳米聚晶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体通过湿混在超声条件下填充进入氮化硼纳米管内得到填充体，将所述填充体在真空的条件下处理，再预压成型得到坯件；将所述坯件烧结固溶强化得到金刚石芯纳米聚晶材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述将纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体通过湿混在超声条件下填充进入氮化硼纳米管内得到填充体，包括：将1－9重量份的所述纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体与1－9重量份的所述氮化硼纳米管混合得到混合物，将所述混合物在超声频率为20Hz－200Hz的条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：王培，赵予生，邹永涛，王善民，王李平，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44