一种强化聚晶金刚石复合片的方法与流程

本发明属于材料领域，具体涉及一种强化聚晶金刚石复合片的方法。

背景技术：

聚晶金刚石复合片(polycrystallinediamondcompact，或pdc)是一种性能十分优异的复合超硬材料，它由微米级金刚石颗粒、烧结催化剂在高温高压条件下、在硬质合金沉底上烧结形成。聚晶金刚石即保留了金刚石颗粒的高硬度，又具备与合金相比拟的可焊接性，在硬质材料加工、地质钻探、矿物开采、盾构施工、油气勘采等领域有着广泛的应用。

烧结助剂在pdc的制备过程起着重要的促进作用，然而它也是导致pdc在使用过程中失效的重要因素。pdc常用的烧结助剂为钴，也可以使用金属铁、镍及其合金等。在高温高压烧结过程中，金属烧结助剂促使大量金刚石一金刚石晶粒直接成键(d-d键)，使pdc具有较高的强度和耐磨性。pdc多在高温、高应力条件下工作，由于金属烧结助剂与金刚石的热膨胀系数差别很大，在工作过程中容易造成金刚石层内金刚石晶粒脱落，因此会降低pdc的使用性能。另外，当温度高于700℃时，烧结助剂金属钴、铁等会催化金刚石向石墨发生逆转变，使pdc的硬度和耐磨性急剧下降。因此，除去pdc金刚石层中的金属烧结助剂钴，可大幅提高pdc的使用性能。

为提高pdc材料的耐磨性、对抗冲击性和热稳定性等使用性能，拓宽超硬材料的应用领域，目前国内外常采用的方法是脱钴技术。

现有的脱钴技术采用路易斯酸-氯化铁-盐酸体系或采取王水体系在200℃左右的高温下进行脱钴取得很好的效果，但在强酸、强氧化性高温条件下其工艺危险系数高，因此开发出安全的且能提高强度的聚晶金刚石的工艺方法十分必要。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种强化聚晶金刚石复合片的方法。

具体技术方案如下：

一种强化聚晶金刚石复合片的方法，其不同之处在于，所述强化聚晶金刚石复合片的方法包括：

脱钴：将聚晶金刚石复合片浸入脱钴液中脱钴；

渗纳米：经过脱钴后的聚晶金刚石复合片浸入纳米溶液中，所述纳米溶液为纳米bxcmnn溶液；

反复交替进行脱钴及渗纳米；

其中，x为1或4；m为0，1或2；n为0或1；m、n不同时为0。

进一步，反复交替进行脱钴及渗纳米直至聚晶金刚石复合片至少经过三次脱钴与三次渗纳米。

进一步，强化聚晶金刚石复合片的方法至少包括以下步骤：

步骤s1：将聚晶金刚石复合片浸入第一脱钴液中脱钴；

步骤s2：将经过步骤s1脱钴后的聚晶金刚石复合片，浸入第一纳米溶液中；

步骤s3：将经过步骤s2渗纳米的聚晶金刚石复合片，浸入第二脱钴液中脱钴；

步骤s4：将经过所述步骤s3脱钴后的聚晶金刚石复合片，浸入第二纳米溶液中；

步骤s5：将经过步骤s4渗纳米的聚晶金刚石复合片，浸入第一脱钴液中脱钴；

步骤s6：将经过所述步骤s5脱钴后的聚晶金刚石复合片，浸入第三纳米溶液中；

其中，所述第一脱钴液包括脱钴剂，所述脱钴剂通过路易斯酸-氯化铁溶解于盐酸制得的混合液；所述第二脱钴液由硝酸溶液、氢氟酸溶液、过氧化氢溶液及纯水按质量比(3.5～4.5)：(0.5～1.5)：(1.5～2.5)：(0.5～1.5)配制。

进一步，所述第二脱钴液由硝酸溶液、氢氟酸溶液、过氧化氢溶液及纯水按质量比4：1：2：1配制。

进一步，所述硝酸溶液质量百分比为65％，所述氢氟酸溶液的质量百分比为35％，所述过氧化氢溶液的质量百分比为40％。

进一步，所述第一纳米溶液为纳米bn溶液，所述第二纳米溶液为纳米bc2n溶液，所述第三纳米溶液为纳米b4c溶液。

进一步，所述脱钴剂为三氟化硼-氯化铁-盐酸混合液，其中，三氟化硼-氯化铁与盐酸的加入量为10～15g/100mlhcl。

进一步，脱钴过程中，在所述第一脱钴液进行脱钴时，在70℃～90℃条件下在所述第一脱钴液中浸泡18小时～22小时；在所述第二脱钴液进行脱钴时，在不超过30℃的条件下在所述第二脱钴液中浸泡18小时～36小时。

进一步，渗纳米过程中，在70℃～90℃条件下在所述纳米溶液中浸泡18小时～22小时。

进一步，循环进行步骤s1～步骤s6。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明通过采取脱钴与渗纳米交替的方法强化聚晶金刚石复合片，可以进一步提高耐磨性、对抗冲击性和热稳定性；(2)整个工艺流程，在不超过100℃的条件下进行，降低了整个脱钴液体系的酸度，降低了工艺的危险系数；(3)采用两种脱钴液进行更替脱钴，进一步提高强化效果。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例药品来源：

纳米bn溶液：纳米bn(合肥中航纳米技术发展有限公司生产，zh-bn-01型号)配制成质量浓度75％的溶液；

纳米bc2n溶液：纳米bc2n(合肥中航纳米技术发展有限公司生产，zh-bc2n-01型号)配制成质量浓度75％的溶液；

纳米b4c溶液：纳米b4c(合肥中航纳米技术发展有限公司生产，zh-b4c-01型号)配制成质量浓度75％的溶液；

三氟化硼：东营合溢化工有限公司生产；

氯化铁：山东豪顺化工有限公司生产；

硝酸：新乡市森锋化工有限公司生产；

过氧化氢：山东迈跃医疗科技有限公司生产；

盐酸：济南荣正化工有限公司生产；

氢氟酸：淄博鼎尖化工有限公司生产。

实施例1

强化聚晶金刚石复合片的方法包括以下步骤：

步骤s1：将聚晶金刚石复合片浸入第一脱钴液中脱钴，在80℃条件下在所述第一脱钴液中浸泡20小时；

步骤s2：将经过步骤s1脱钴后的聚晶金刚石复合片，浸入第一纳米溶液中，在80℃条件下在所述第一纳米溶液浸泡20小时；

步骤s3：将经过步骤s2渗纳米的聚晶金刚石复合片，浸入第二脱钴液中脱钴，，在室温条件下在所述第二脱钴液中浸泡24小时；

步骤s4：将经过所述步骤s3脱钴后的聚晶金刚石复合片，浸入第二纳米溶液中，在80℃条件下在所述第二纳米溶液浸泡20小时；

步骤s5：将经过步骤s4渗纳米的聚晶金刚石复合片，浸入第一脱钴液中脱钴，在80℃条件下在所述第一脱钴液中浸泡20小时；

步骤s6：将经过所述步骤s5脱钴后的聚晶金刚石复合片，浸入第三纳米溶液中，在80℃条件下在所述第三纳米溶液中浸泡20小时；

其中，所述第一脱钴液包括脱钴剂，所述脱钴剂通过路易斯酸-氯化铁溶解于盐酸制得的混合液，所述脱钴剂为三氟化硼-氯化铁-盐酸混合液，其中，三氟化硼-氯化铁与盐酸的加入量为14g/100mlhcl。所述第二脱钴液由硝酸溶液、氢氟酸溶液、过氧化氢溶液及纯水按质量比4：1：2：1配制，所述硝酸溶液质量百分比为65％，所述氢氟酸溶液的质量百分比为35％，所述过氧化氢溶液的质量百分比为40％。

所述第一纳米溶液为纳米bn溶液，所述第二纳米溶液为纳米bc2n溶液，所述第三纳米溶液为纳米b4c溶液。

实施例2

强化聚晶金刚石复合片的方法至少包括以下步骤：

步骤s1：将聚晶金刚石复合片浸入第一脱钴液中脱钴，在80℃条件下在所述第一脱钴液中浸泡20小时；

步骤s2：将经过步骤s1脱钴后的聚晶金刚石复合片，浸入第一纳米溶液中，在80℃条件下在所述第一纳米溶液浸泡20小时；

步骤s3：将经过步骤s2渗纳米的聚晶金刚石复合片，浸入第二脱钴液中脱钴，在室温条件下在所述第二脱钴液中浸泡24小时；

步骤s4：将经过所述步骤s3脱钴后的聚晶金刚石复合片，浸入第二纳米溶液中，在80℃条件下在所述第二纳米溶液浸泡20小时；

步骤s5：将经过步骤s4渗纳米的聚晶金刚石复合片，浸入第一脱钴液中脱钴，在80℃条件下在所述第一脱钴液中浸泡20小时；

步骤s6：将经过所述步骤s5脱钴后的聚晶金刚石复合片，浸入第三纳米溶液中，在80℃条件下在所述第三纳米溶液中浸泡20小时；

其中，所述第一脱钴液包括脱钴剂，所述脱钴剂通过路易斯酸-氯化铁溶解于盐酸制得的混合液，所述脱钴剂为三氟化硼-氯化铁-盐酸混合液，其中，三氟化硼-氯化铁与盐酸的加入量为12g/100mlhcl。所述第二脱钴液由硝酸溶液、氢氟酸溶液、过氧化氢溶液及纯水按质量比4：1：2：1配制，所述硝酸溶液质量百分比为65％，所述氢氟酸溶液的质量百分比为35％，所述过氧化氢溶液的质量百分比为40％。

所述第一纳米溶液为纳米bn溶液，所述第二纳米溶液为纳米bc2n溶液，所述第三纳米溶液为纳米b4c溶液。

在进行完步骤s1～s6时，对材料的耐磨性、对抗冲击性和热稳定性

进行检测，未达到使用要求，循环进行步骤s1～s6直至要求达到。

本实施例中，循环2次。

实施例3

实施例3与实施例1采用相同步骤进行强化聚晶金刚石复合片，但与实施例1相比，不同的是步骤s1、步骤s3、步骤s5中的脱钴过程，均采用第一脱钴液脱钴，所述第一脱钴液包括脱钴剂，所述脱钴剂通过路易斯酸-氯化铁溶解于盐酸制得的混合液，所述脱钴剂为三氟化硼-氯化铁-盐酸混合液，其中，三氟化硼-氯化铁与盐酸的加入量为14g/100mlhcl。

实施例4

实施例4与实施例1采用相同步骤进行强化聚晶金刚石复合片，但与实施例1相比，不同的是步骤s1、步骤s3、步骤s5中脱钴过程，均采用第二脱钴液脱钴，其中，所述第二脱钴液由硝酸溶液、氢氟酸溶液、过氧化氢溶液及纯水按质量比4：1：2：1配制，所述硝酸溶液质量百分比为65％，所述氢氟酸溶液的质量百分比为35％，所述过氧化氢溶液的质量百分比为40％。

实施例5

实施例5与实施例1采用相同步骤进行强化聚晶金刚石复合片，但与实施例1相比，不同的是所述第二脱钴液由硝酸溶液、氢氟酸溶液、过氧化氢溶液及纯水按质量比1：0.1：0.4：0.1配制，所述硝酸溶液质量百分比为65％，所述氢氟酸溶液的质量百分比为35％，所述过氧化氢溶液的质量百分比为40％。

实施例6

实施例6与实施例1采用相同步骤进行强化聚晶金刚石复合片，但与实施例1相比，不同的是所述第二脱钴液由硝酸溶液、氢氟酸溶液、过氧化氢溶液及纯水按质量比5：2：3：2配制，所述硝酸溶液质量百分比为65％，所述氢氟酸溶液的质量百分比为35％，所述过氧化氢溶液的质量百分比为40％。

实施例7

实施例7与实施例1采用相同步骤进行强化聚晶金刚石复合片，但与实施例1相比，不同的是所述第二脱钴液由硝酸溶液、氢氟酸溶液、过氧化氢溶液及纯水按质量比3.5：0.5：1.5：1配制，所述硝酸溶液质量百分比为65％，所述氢氟酸溶液的质量百分比为35％，所述过氧化氢溶液的质量百分比为40％。

实施例8

实施例8与实施例1采用相同步骤进行强化聚晶金刚石复合片，但与实施例1相比，不同的是所述第二脱钴液由硝酸溶液、氢氟酸溶液、过氧化氢溶液及纯水按质量比4.5：1.5：2.5：1配制，所述硝酸溶液质量百分比为65％，所述氢氟酸溶液的质量百分比为35％，所述过氧化氢溶液的质量百分比为40％。

对比例1

采用实施例1第一脱钴液对聚晶金刚石复合片进行脱钴，将聚晶金刚石复合片浸入第一脱钴液中，脱钴时间为70小时，脱钴温度为200℃。

对比例2

采用王水对聚晶金刚石复合片进行脱钴，将聚晶金刚石复合片浸入王水中，脱钴时间为70小时，脱钴温度为200℃。

对比例3

将聚晶金刚石复合片依次进入第一纳米液、第二纳米液及第三纳米液；在80℃条件下在所述第一纳米溶液浸泡20小时；在80℃条件下在所述第二纳米溶液浸泡20小时；在80℃条件下在所述第三纳米溶液浸泡20小时。

第一纳米液，第二纳米液及第三纳米液与实施例1对应相同。

实施例9

对实施例1～8及对比例1～3进行性能测试，测试其耐磨性、对抗冲击性和热稳定性。

耐磨性测试方法：磨削测试；本测试方法中，采用pdc体积的减少量作为pdc耐磨性能的指标，使用脱钴后的pdc磨削花岗φ1200mm，进行恒转速湿磨测试，转速切削速度100r/min；横向进刀速度：2.54mm/r，切削夹角为20°，样品车削过程中采用水进行三向冷却。

对抗冲击性测试方法：dfzy型pdc抗冲击性能测定仪测试；dfzy型复合片冲击破碎能测定仪是一种采用可变换冲击功的落锤式自动冲击装置,适用于测定各种人造金刚石聚晶(pcd)和复合片(pdc)的冲击性。本测试仪采用多次疲劳冲击法进行测试，其原理是利用电磁铁将冲锤抬起，然后从一定高度自由下落，势能转变为冲击能。多次反复地给pdc表面聚晶金刚石层施加冲击剪切载荷，使其表面崩块，或被剪断，从而得到试样破坏时承受的冲击次数，根据单次冲击的能量，计算出pdc失效时所承受的总能量，以此作为评价pdc抗冲击性能的指标。

热稳定性测试方法：差热分析仪(dta)测试；差热分析是利用差热电偶来测定热中性体与被测试样pdc在加热过程中的温差，将差热电偶的两个热端分别插在热中性体和被测试样pdc中，在均匀加热过程中，若试样pdc不发生物理化学变化，没有热效应产生，则试样pdc与热中性体之间无温差，差热电偶两端的热电势互相抵消，若试样发生了物理化学变化，有热效应产生，试样pdc与热中性体之间就有温差产生，差热电偶就会产生温差电势。将测得的试样pdc与热中性体间的温差对时间(或温度)作图，就得到差热曲线(dta曲线)。在试样pdc没有热效应时，由于温差是零，差热曲线为水平线；在有热效应时，曲线上便会出现峰或谷。曲线开始转折的地方代表试样物理化学变化的开始，峰或谷的顶点表示试样变化最剧烈的温度，热效应越大，则峰或谷越高，面积越大。

表1聚晶金刚石性能测试结果

从实施例及对比例结果可以看出，本发明相较于对比例可在相对温和的反应条件下进一步提高聚晶金刚石复合片的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。