CN102794447A - 耐冲击的金刚石层、金刚石复合片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐冲击的金刚石层、金刚石复合片及其制备方法,采用粗颗粒金刚石为主要原料,以石墨为填充剂、以铁基粉末为触媒,(按重量比例计算)金刚石:70-80份、石墨粉:10-20份:触媒:3-12份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:45-60份、镍:15-20份、钴:5-15份、锰:5-20份、硅:3-10份。其工艺过程:将上述配比的原料进行混合,均匀后与硬质合金基体预压成组合片,然后装入叶腊石块中形成结构块,再将该结构块放入六面顶压机中高温高压条件下进行烧结、电解,得到的金刚石复合片具有气孔粗大、网状连接结构特性;其优异的锋利度和冲击韧性十分适合中硬、硬地层的钻探使用。
Description
技术领域
本发明涉及超硬材料制品领域,特别涉及一种耐冲击的金刚石层、金刚石复合片及其制备方法,主要用于中硬、硬地层的钻采作业场合。
背景技术
金刚石复合片是指在金刚石磨粒中添加少量金属或非金属粘结剂,经高温、高压合成制得的复合材料,因其具有诸如:硬度高、导热性好、抗冲击性能高等优异性能,而被广泛应用于油田矿山开采、基础设施建设、房屋维修、机械加工、地质勘探等领域,随着科学技术的发展,还成为微电子、通讯、航天等高科技领域不可缺少的关键材料。目前,金刚石复合片普遍采用金刚石微粉作为主要原料,添加少量触媒催化剂Co、Ni等,与硬质合金组合,烧结而成。其产品特点在于:结构十分致密、硬度较高,导致其使用过程中抗冲击性能较差、切削锋利度差,使得钻井过程中钻齿异常破坏现象较多、且进尺太慢。
发明内容
为了克服现有技术金刚石复合片硬度高、脆性大,无法满足大冲击载荷下钻探使用的不足之处,本发明的提供了一种耐冲击的金刚石层、金刚石复合片及其制备方法,使用该方法制得复合片具有抗冲击能力强、锋利度好等优点,特别适合硬质地层的开采钻探工作。
本发明提供了一种耐冲击的金刚石层,其特征在于它是由下述重量配比的原料制成的,金刚石:70-80份、石墨粉:10-20份:触媒:3-12份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:45-60份、镍:15-20份、钴:5-15份、锰:5-20份、硅:3-10份。
所述金刚石为80/100粒度,SMD级别金刚石;所述石墨粉为600目以细高纯石墨,石墨化度达到>98%。
所述触媒各组份为400目以细的粉末。
本发明还提供了一种耐冲击的金刚石复合片,包括上述的金刚石层和硬质合金基体,该金刚石复合片可由下述步骤制备获得:
(1)配料:按下述重量配比称量以下金刚石层原料:金刚石:70-80份、石墨粉:10-20份:触媒:3-12份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:45-60份、镍:15-20份、钴:5-15份、锰:5-20份、硅:3-10份;
(2)混料:将步骤1所得的物料混合均匀;
(3)净化处理:将步骤2得到的物料,植入高温炉中进行处理,温度:850-880℃,压力10-100Pa,时间:2.5-4小时;
(4)组装:将步骤3得到的物料装入金属套杯中,然后装入硬质合金基体,制得组合片;将组合片装入合成复合片专用叶腊石块中,形成结构块;
(5)烧结:将步骤4得到的结构块,放在六面顶压机上进行高压、高温烧结,工艺为温度:1320-1380℃,压力5300-5700Mpa,时间:10-25分钟;
(6)电解:将步骤5得到的复合片,置入电解槽内进行电解,除去聚晶层内多余金属。
本发明还提供一种制备上述耐冲击的金刚石复合片的方法,该方法包括下述顺序步骤:
(1)配料:按下述重量配比称量以下金刚石层原料:金刚石:70-80份、石墨粉:10-20份:触媒:3-12份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:45-60份、镍:15-20份、钴:5-15份、锰:5-20份、硅:3-10份;
(2)混料:将步骤1所得的物料混合均匀;
(3)净化处理:将步骤2得到的粉料,植入高温炉中进行处理,温度:850-880℃,压力10-100Pa,时间:2.5-4小时;
(4)组装:将步骤3得到的粉料装入金属套杯中,然后装入硬质合金基体,制得组合片;将组合片装入合成复合片专用叶腊石块中,形成结构块;
(5)烧结:将步骤4得到的结构块,放在六面顶压机上进行高压、高温烧结,工艺为温度:1320-1380℃,压力5300-5700Mpa,时间:10-25分钟;
(6)电解:将步骤5得到的复合片,置入电解槽内进行电解,除去聚晶层内多余金属。
所述的物料混合步骤是将物料倒入混料罐中,然后向混料罐中加入同等重量直径为8-10mm的硬质合金球作为混料介质,装在三维混料机进行混料,混料时间为4-6小时。
所述的硬质合金球与物料的重量比为1:1。
所述电解的电解液为硫酸铁溶液,电压为为9-12V, 处理时间为25-30小时。
本发明的耐冲击金刚石复合片选用粗颗粒金刚石,可以形成无数较小的切削单元,切削单元的性能由原始单晶的质量所决定,选用优质金刚石单晶,可保证切削单元性能优异。
烧结过程中石墨一方面作为填充剂,充满金刚石颗粒之间,避免金刚石直接接触,相互挤压产生裂纹等缺陷;另一方面作为碳源在触媒作用下直接转变为金刚石,将原始金刚石颗粒连接在一起;由于颗粒顶尖处压力较大金刚石结晶剧烈,连接致密,空穴处压力偏小,金刚石结晶速度慢,形成疏松的网状结构,这一结构能有效吸收切削过程的冲击力,防止复合片损坏;另外部分未转化的石墨留在复合片中可以作为切削过程的润滑剂,极大地降低切削阻力,提高锋利度。
采用优化后的烧结工艺,可以有效控制填充石墨向金刚石转变质量的程度,保证合理的致密程度,从而保证冲击强度及耐磨强度。
电解脱金属的作用在于:将聚晶层中多余的金属除掉,一方面防止因金属相与金刚石热膨胀系数不同,受热时易产生巨大应力,降低复合片使用性能;另一方面脱去金属后所留下的疏松气孔,可以很好的容屑排屑,提高切削速度。
本发明的金刚石复合片结构规律排布、致密的切削单元通过疏松过度层连接,整体结构富有弹性,能够极大程度的吸收冲击能量,因此在使用过程中一方面表现为抗冲击性能极高,普通金刚石复合片的冲击强度<1000J,而本发明复合片其冲击强度多在1300J以上,因此本发明很大程度上扩大了金刚石复合片的使用范围;另一方面表现为切削锋利度高,使得钻井过程中钻齿异常破坏的情况明显减少、且进尺大大提高。
具体实施例
以下实例对本发明做进一步的说明,将有助于对本发明产品制备方法及其优点做进一步的理解。但它们不是对本发明的限定。
实施例1
本实施例的耐冲击金刚石复合片,由下述步骤制备获得:
(1)配料:按下述重量配比称量以下原料:.金刚石:76份、石墨粉:19份:触媒:5份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:59份、镍:17份、钴:10份、锰:6份、硅:8份。
(2)混料:将物料倒入混料罐中,然后向混料罐中加入同等重量直径为8-10mm的硬质合金球作为混料介质,装在三维混料机进行混料,混料时间为4.5小时。
(3)净化处理:将步骤2得到的物料,植入高温炉中进行处理,温度:860℃,压力50Pa,时间:3.5小时。
(4)组装:将步骤3得到的物料装入金属套杯中,然后装入硬质合金基体,制得组合片;将组合片装入合成复合片专用叶腊石块中,形成结构块。
(5)烧结:将步骤4得到的结构块,放在六面顶压机上进行高压、高温烧结,工艺为温度:1320-1380℃,压力5300-5700Mpa,时间:12分钟。
(6)电解:将步骤5得到的复合片,置入电解槽内进行电解,除去聚晶层内多余金属,电解液为硫酸铁溶液,电压为为11V, 处理时间为28小时。
制得金刚石复合片指标为:
检验项目 | 平均抗冲击强度 | 平均磨耗比 |
指标 | 1820J | 21万 |
实施例2
本实施例的耐冲击金刚石复合片,由下述步骤制备获得:
(1)配料:按下述重量配比称量以下原料:.金刚石:77.5份、石墨粉:15份:触媒:5份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:55份、镍:20份、钴:10份、锰:10份、硅:5份。
(2)混料:将物料倒入混料罐中,然后向混料罐中加入同等重量直径为8-10mm的硬质合金球作为混料介质,装在三维混料机进行混料,混料时间为5.5小时。
(3)净化处理:将步骤2得到的物料,植入高温炉中进行处理,温度:870℃,压力50Pa,时间:3小时。
(4)组装:将步骤3得到的物料装入金属套杯中,然后装入硬质合金基体,制得组合片;将组合片装入合成复合片专用叶腊石块中,形成结构块。
(5)烧结:将步骤4得到的结构块,放在六面顶压机上进行高压、高温烧结,工艺为温度:1320-1380℃,压力5300-5700Mpa,时间:15分钟。
(6)电解:将步骤5得到的复合片,置入电解槽内进行电解,除去聚晶层内多余金属,电解液为硫酸铁溶液,电压为为10V, 处理时间为27小时。
制得金刚石复合片指标为
检验项目 | 平均抗冲击强度 | 平均磨耗比 |
指标 | 1587J | 24万 |
实施例3
本实施例的耐冲击金刚石复合片,由下述步骤制备获得:
(1)配料:按下述重量配比称量以下原料:.金刚石:79份、石墨粉:10份:触媒:4.7份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:48份、镍:16份、钴:11份、锰:16份、硅:9.6份。
(2)混料:将物料倒入混料罐中,然后向混料罐中加入同等重量直径为8-10mm的硬质合金球作为混料介质,装在三维混料机进行混料,混料时间为5小时。
(3)净化处理:将步骤2得到的物料,植入高温炉中进行处理,温度:860℃,压力20Pa,时间:4小时。
(4)组装:将步骤3得到的物料装入金属套杯中,然后装入硬质合金基体,制得组合片;将组合片装入合成复合片专用叶腊石块中,形成结构块。
(5)烧结:将步骤4得到的结构块,放在六面顶压机上进行高压、高温烧结,工艺为温度:1320-1380℃,压力5300-5700Mpa,时间:18分钟。
(6)电解:将步骤5得到的复合片,置入电解槽内进行电解,除去聚晶层内多余金属,电解液为硫酸铁溶液,电压为为9V, 处理时间为25小时。
制得金刚石复合片指标为:
检验项目 | 平均抗冲击强度 | 平均磨耗比 |
指标 | 1300J | 27万 |
实施例4
本实施例的耐冲击金刚石复合片,由下述步骤制备获得:
(1)配料:按下述重量配比称量以下原料:.金刚石:78份、石墨粉:13份:触媒:7份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:57份、镍:18份、钴:13份、锰:15份、硅:6份。
(2)混料:将物料倒入混料罐中,然后向混料罐中加入同等重量直径为8-10mm的硬质合金球作为混料介质,装在三维混料机进行混料,混料时间为5小时。
(3)净化处理:将步骤2得到的物料,植入高温炉中进行处理,温度:860℃,压力20Pa,时间:3小时。
(4)组装:将步骤3得到的物料装入金属套杯中,然后装入硬质合金基体,制得组合片;将组合片装入合成复合片专用叶腊石块中,形成结构块。
(5)烧结:将步骤4得到的结构块,放在六面顶压机上进行高压、高温烧结,工艺为温度:1320-1380℃,压力5300-5700Mpa,时间:20分钟。
(6)电解:将步骤5得到的复合片,置入电解槽内进行电解,除去聚晶层内多余金属,电解液为硫酸铁溶液,电压为为12V, 处理时间为29小时。
制得金刚石复合片指标为:
检验项目 | 平均抗冲击强度 | 平均磨耗比 |
指标 | 1560J | 23万 |
实施例5
本实施例的耐冲击金刚石复合片,由下述步骤制备获得:
(1)配料:按下述重量配比称量以下原料:.金刚石:73份、石墨粉:12份:触媒:8份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:48份、镍:15份、钴:5份、锰:5份、硅:3份。
(2)混料:将物料倒入混料罐中,然后向混料罐中加入同等重量直径为8-10mm的硬质合金球作为混料介质,装在三维混料机进行混料,混料时间为5.5小时。
(3)净化处理:将步骤2得到的物料,植入高温炉中进行处理,温度:860℃,压力80Pa,时间:3小时。
(4)组装:将步骤3得到的物料装入金属套杯中,然后装入硬质合金基体,制得组合片;将组合片装入合成复合片专用叶腊石块中,形成结构块。
(5)烧结:将步骤4得到的结构块,放在六面顶压机上进行高压、高温烧结,工艺为温度:1320-1380℃,压力5300-5700Mpa,时间:22分钟。
(6)电解:将步骤5得到的复合片,置入电解槽内进行电解,除去聚晶层内多余金属,电解液为硫酸铁溶液,电压为为10V, 处理时间为26小时。
制得金刚石复合片指标为:
检验项目 | 平均抗冲击强度 | 平均磨耗比 |
指标 | 1420J | 26万 |
Claims (8)
1.一种耐冲击的金刚石层,其特征在于它是由下述重量配比的原料制成的,金刚石:70-80份、石墨粉:10-20份:触媒:3-12份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:45-60份、镍:15-20份、钴:5-15份、锰:5-20份、硅:3-10份。
2.根据权利要求1所述的耐冲击的金刚石层,其特征在于:所述金刚石为80/100粒度,SMD级别金刚石;所述石墨粉为600目以细高纯石墨,石墨化度达到>98%。
3.根据权利要求1所述的耐冲击的金刚石层,其特征在于:所述触媒各组份为400目以细的粉末。
4.一种耐冲击的金刚石复合片,包括权利要求1的金刚石层和硬质合金基体,该金刚石复合片可由下述步骤制备获得:
(1)配料:按下述重量配比称量以下金刚石层原料:金刚石:70-80份、石墨粉:10-20份:触媒:3-12份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:45-60份、镍:15-20份、钴:5-15份、锰:5-20份、硅:3-10份;
(2)混料:将步骤1所得的物料混合均匀;
(3)净化处理:将步骤2得到的物料,植入高温炉中进行处理,温度:850-880℃,压力10-100Pa,时间:2.5-4小时;
(4)组装:将步骤3得到的物料装入金属套杯中,然后装入硬质合金基体,制得组合片;将组合片装入合成复合片专用叶腊石块中,形成结构块;
(5)烧结:将步骤4得到的结构块,放在六面顶压机上进行高压、高温烧结,工艺为温度:1320-1380℃,压力5300-5700Mpa,时间:10-25分钟;
(6)电解:将步骤5得到的复合片,置入电解槽内进行电解,除去聚晶层内多余金属。
5.一种制备权利要求4的耐冲击的金刚石复合片的方法,该方法包括下述顺序步骤:
(1)配料:按下述重量配比称量以下金刚石层原料:金刚石:70-80份、石墨粉:10-20份:触媒:3-12份;所述触媒由下述重量配比的物料组成:铁:45-60份、镍:15-20份、钴:5-15份、锰:5-20份、硅:3-10份;
(2)混料:将步骤1所得的物料混合均匀;
(3)净化处理:将步骤2得到的粉料,植入高温炉中进行处理,温度:850-880℃,压力10-100Pa,时间:2.5-4小时;
(4)组装:将步骤3得到的粉料装入金属套杯中,然后装入硬质合金基体,制得组合片;将组合片装入合成复合片专用叶腊石块中,形成结构块;
(5)烧结:将步骤4得到的结构块,放在六面顶压机上进行高压、高温烧结,工艺为温度:1320-1380℃,压力5300-5700Mpa,时间:10-25分钟;
(6)电解:将步骤5得到的复合片,置入电解槽内进行电解,除去聚晶层内多余金属。
6.根据权利要求5所述的制备耐冲击的金刚石复合片方法,其特征在于:所述的物料混合步骤是将物料倒入混料罐中,然后向混料罐中加入同等重量直径为8-10mm的硬质合金球作为混料介质,装在三维混料机进行混料,混料时间为4-6小时。
7.根据权利要求6所述的制备耐冲击的金刚石复合片方法,其特征在于:所述的硬质合金球与物料的重量比为1:1。
8.根据权利要求5所述的制备耐冲击的金刚石复合片方法,其特征在于:所述电解的电解液为硫酸铁溶液,电压为为9-12V, 处理时间为25-30小时。
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