CN103072332A - 一种聚晶金刚石复合片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚晶金刚石复合片及其制备方法，以提高聚晶金刚石复合片的耐磨性和抗冲击耐性，进而延长其使用寿命，提高连续工作效率。为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体层和聚晶金刚石层；其中，所述聚晶金刚石层包括由少钴聚晶金刚石颗粒构成的耐磨区域和由富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域，且所述少钴聚晶金刚石颗粒散布在所述耐冲击区域中。本发明提供的聚晶金刚石复合片，其中由少钴聚晶金刚石颗粒构成的耐磨区域由细粒度金刚石颗粒通过充分烧结得到，保证聚晶金刚石复合片具有极高的耐磨性，而富钴聚晶金刚石区域由于钴金属含量高，具有极好的抗冲击韧性。

Description

一种聚晶金刚石复合片及其制备方法

技术领域

本发明涉及超硬材料技术领域，更具体的说，涉及一种聚晶金刚石复合片，本发明还涉及一种聚晶金刚石复合片的制备方法。

背景技术

金刚石复合片是将金刚石粉末添加一定的结合剂并与硬质合金基体组装在一起后，在专用金刚石液压机上在超高压高温条件下烧结制得。它由一层多晶金刚石层和硬质合金基体构成。由于多晶金刚石层硬度高、耐磨性好，加上硬质合金基体的良好韧性和可焊性，使其在石油钻探、地质钻探及煤田开采应用中得到广泛应用。一种高性能的聚晶金刚石必须具有很高的耐磨性和很好的抗冲韧性。

目前，在制作聚晶金刚石复合片过程中，通常采用调节金刚石粒度的办法来调整聚晶金刚石复合片的耐磨性和抗冲击韧性，但提高抗冲击韧性和耐磨性这两项性能对金刚石微粉粒度粗细的要求是相互矛盾的，前者要求增大金刚石微粉的粒度，后者要求减小金刚石微粉的粒度，而要解决这对矛盾是很困难的。

相对简单的调节金刚石粒度来提高产品的抗冲击韧性和耐磨性，将靠近硬质合金基体层设计成粗粒度金刚石，而靠近聚晶金刚石顶端设计成细粒度金刚石结构的聚晶金刚石复合片被认为是一种技术进步。该种结构的聚晶金刚石上端由细粒度金刚石构成切削刃，保证产品具有较高的耐磨性，而靠近硬着合金基体端的金刚石聚晶层由粗颗粒金刚石组成，使得产品具有较好的抗冲击韧性。该方法可以制得较高综合性能的聚晶金刚石复合片。但是，在实际钻探应用过程中，虽然上端金刚石切削刃具有较高的耐磨性，但该细粒度聚晶层的抗冲击韧性仍然不佳，工作过程中，顶端细粒度聚晶层容易破裂而失效，降低产品的使用寿命。

而通过改变硬质合金基体和聚晶金刚石层结合界面的方式降低结合层的应力，虽然可以提高产品的性能。但是将界面采用台阶形、槽形或凸凹形等几何形式联结，并没有改变聚晶金刚石层和硬质合金层两种材料属性的差异。经过高温高压合成后，反而容易在界面处出现高度的局部化的应力集中，这将导致具有突然失效的破裂产生，影响聚晶金刚石复合片的使用寿命。

综上所述，如何提供一种聚晶金刚石复合片及其制备方法，以提高聚晶金刚石复合片的耐磨性，进而延长其使用寿命，提高连续工作效率，是目前本技术领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种聚晶金刚石复合片及其制备方法，以提高聚晶金刚石复合片的耐磨性和抗冲击耐性，进而延长其使用寿命，提高连续工作效率。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体层和聚晶金刚石层；其中，所述聚晶金刚石层包括由少钴聚晶金刚石颗粒构成的耐磨区域和由富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域，且所述少钴聚晶金刚石颗粒散布在所述耐冲击区域中。

所述聚晶金刚石复合片的少钴聚晶金刚石颗粒由粒径为0.5～3μm的金刚石微粉经充分烧结而成，该少钴聚晶金刚石颗粒的粒径为5～20μm，其中金属钴的质量百分含量为2％～7％，该少钴聚晶金刚石颗粒相邻颗粒间的间距为0～20μm。

所述聚晶金刚石复合片的富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域由粒径为0.5～3μm的金刚石微粉和钴金属相组成，该富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域中金属钴的质量百分含量为20％～40％。

所述由少钴聚晶金刚石颗粒构成的耐磨区域和由富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域的体积比为1～2。

一种上述聚晶金刚石复合片的制备方法，包括如下步骤：

1)将细粒径的金刚石微粉与相近粒度的钴粉混合均匀获得混合粉，且保证所加入的钴粉量不能满足混合粉的完全烧结；

2)将上述混合粉装入材质为锆、钼或铌的金属杯中；

3)在金属杯中的混合粉上方放置钴金属片，然后再装入硬质合金基体，或者直接将硬质合金基体装入到金属杯中的混合粉上方；

4)将上述装配好的金属杯组件在500～700℃下真空处理2～10小时；

5)将上述经过真空处理后的金属杯组件置于叶腊石中，放入高压设备进行烧结；

6)烧结完成后卸压、冷却，取出烧结好的聚晶金刚石复合片，并后续机加工到目标尺寸，至此完成所述聚晶金刚石复合片的制作。

优选的，上述步骤1)中，金刚石微粉粒径为0.5～3μm，所述混合粉中金刚石微粉的质量百分含量为85％～95％，钴粉的质量百分含量为5％～15％。

优选的，上述步骤5)中，烧结条件为：烧结压力5000～6000MPa，烧结温度1500-1600℃，烧结时间5-10分钟。

本发明的积极效果在于：本发明提供的聚晶金刚石复合片，其中由少钴聚晶金刚石颗粒构成的耐磨区域由细粒度金刚石颗粒通过充分烧结得到，保证聚晶金刚石复合片具有极高的耐磨性，而富钴聚晶金刚石区域由于钴金属含量高，具有极好的抗冲击韧性。在使用本发明所提供产品的过程中，一方面，在整个聚晶金刚石层受到冲击时，富钴的聚晶金刚石耐冲击区域可以吸收冲击能量，避免少钴聚晶金刚石构成的耐磨区域碎裂和整个聚晶金刚石层遭到破坏；另一方面，一旦耐磨区域出现裂纹，当裂纹扩展到耐冲击区域后，裂纹前端应力可以得到释放，防止裂纹继续扩展，避免大范围的聚晶金刚石破碎而失效。

附图说明

图1是本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片的结构示意图。

图1中：1.硬质合金基体层，2.聚晶金刚石层，3.少钴聚晶金刚石颗粒，4.耐冲击区域。

图2是本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片的扫描电镜图。

图2中：深色区域为少钴聚晶金刚石颗粒构成的耐磨区域，浅色区域为富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1所示，本发明实施例提供了一种聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体层1和聚晶金刚石层2；其中，所述聚晶金刚石层2包括由少钴聚晶金刚石颗粒3构成的耐磨区域和由富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域4，且所述少钴聚晶金刚石颗粒3散布在所述耐冲击区域4中。

所述聚晶金刚石复合片的少钴聚晶金刚石颗粒3由粒径为0.9～1.5μm的金刚石微粉与金属钴粉混合均匀后经充分烧结而成，该少钴聚晶金刚石颗粒的粒径为5～20μm，其中金属钴的质量百分含量为4％～5％，该少钴聚晶金刚石颗粒相邻颗粒间的间距为0～20μm。

所述聚晶金刚石复合片的富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域4由粒径为0.9～1.5μm的金刚石颗粒和钴金属相组成，该富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域中金属钴的质量百分含量为30％～35％。

所述由少钴聚晶金刚石颗粒构成的耐磨区域和由富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域的体积比为1.5。

一种上述聚晶金刚石复合片的制备方法，包括如下步骤：

1)将细粒径为0.9～1.5μm的金刚石微粉与相近粒度的钴粉混合均匀获得混合粉，混合粉中金刚石微粉的质量百分含量为85％～95％，钴粉的质量百分含量为5％～15％；

2)将上述混合粉装入材质为锆、钼或铌的金属杯中；

3)在金属杯中的混合粉上方放置钴金属片，然后再装入硬质合金基体；

4)将上述装配好的金属杯组件在500～700℃下真空处理2～10小时；

5)将上述经过真空处理后的金属杯组件置于叶腊石中，放入高压设备进行烧结，烧结条件为：烧结压力5000～6000MPa，烧结温度1500～1600℃，烧结时间5-10分钟；

6)烧结完成后卸压、冷却，取出烧结好的聚晶金刚石复合片，并后续机加工到目标尺寸，至此完成所述聚晶金刚石复合片的制作。

在上述烧结过程中，烧结腔体具有温度场梯度，金属杯中靠近混合粉区域温度高，靠近硬质合金基体端温度低，所以混合粉中的钴金属粉比钴金属片或硬质合金基体中的钴先熔化，而且混入的钴粉粒度细，相对钴金属片或硬质合金基体中的钴更容易熔化。这就使得钴粉颗粒附近的金刚石率先与钴粉熔化后的钴液发生反应，开始烧结。

又由于混合粉中相对于金刚石微粉所添加的钴粉是不足量的，钴粉熔化后只能满足其周边附近的金刚石微粉发生烧结。使得率先烧结的金刚石聚晶区域是以钴粉为中心散布在整个聚晶金刚石层中，这即是少钴聚晶金刚石颗粒构成的耐磨区域的雏形。

随着烧结时间的延长，钴金属片或硬质合金基体中的钴也开始融化，并熔渗扫越整个聚晶金刚石层，早期未得到钴粉熔化后钴液相而未烧结的区域开始烧结。而率先烧结的聚晶金刚石区域因为金刚石微粉颗粒足够细小，表面能量高，反应容易进行，此时已经基本完成烧结，率先烧结区域不再需要由钴金属片或硬质合金基体中的钴熔化后钴液相，使得钴金属片或硬质合金基体中的液相钴在后烧结区域汇集，并且率先烧结区域将充分烧结后金刚石聚晶间隙的钴相向外排出，使得后烧结的区域钴进一步富集。

由于钴粉周围的金刚石区域率先烧结，当后烧结的富钴区域完成烧结时，率先烧结的区域已经充分烧结，率先完成烧结的金刚石空隙中的钴相排出到后烧结区域后形成少钴耐磨区域，而后烧结的区域由于金属钴液相汇集则形成富钴区域。这就使得聚晶金刚石层由少钴耐磨金刚石聚晶颗粒区域和富钴耐冲击金刚石聚晶区域组成。其中少钴耐磨金刚石聚晶颗粒散布在富钴耐冲击金刚石聚晶区域中，将富钴耐冲击金刚石聚晶分隔成空间网状结构。

Claims (9)

1.一种聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体层(1)和聚晶金刚石层(2)；其中，所述聚晶金刚石层(2)包括由少钴聚晶金刚石颗粒(3)构成的耐磨区域和由富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域(4)，且所述少钴聚晶金刚石颗粒(3)散布在所述耐冲击区域(4)中。

2.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述少钴聚晶金刚石颗粒(3)由粒径为0.5～3μm的金刚石微粉经充分烧结而成。

3.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述少钴聚晶金刚石颗粒(3)的粒径为5～20μm，其中金属钴的质量百分含量为2％～7％。

4.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述聚晶金刚石复合片的富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域(4)由粒径为0.5～3μm的金刚石微粉和钴金属相组成，该富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域(4)中金属钴的质量百分含量为20％～40％。

5.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述由少钴聚晶金刚石颗粒(3)构成的耐磨区域和由富钴聚晶金刚石构成的耐冲击区域(4)的体积比为1～2。

6.一种权利要求1所述的聚晶金刚石复合片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将细粒径的金刚石微粉与相近粒度的钴粉混合均匀获得混合粉，且保证所加入的钴粉量不能满足混合粉的完全烧结；

2)将上述混合粉装入材质为锆、钼或铌的金属杯中；

3)在金属杯中的混合粉上方放置钴金属片，然后再装入硬质合金基体，或者直接将硬质合金基体装入到金属杯中的混合粉上方；

4)将上述装配好的金属杯组件在500～700℃下真空处理2～10小时；

5)将上述经过真空处理后的金属杯组件置于叶腊石中，放入高压设备进行烧结；

6)烧结完成后卸压、冷却，取出烧结好的聚晶金刚石复合片，并后续机加工到目标尺寸，至此完成所述聚晶金刚石复合片的制作。

7.根据权利要求6所述的一种聚晶金刚石复合片的制作方法，其特征在于：步骤1)中，金刚石微粉粒径为0.5～3μm。

8.根据权利要求6或7所述的一种聚晶金刚石复合片的制作方法，其特征在于：步骤1)中，所述混合粉中金刚石微粉的质量百分含量为85％～95％，钴粉的质量百分含量为5％～15％。

9.根据权利要求6所述的一种聚晶金刚石复合片的制作方法，其特征在于：步骤5)中，所述烧结的烧结条件为：烧结压力5000～6000MPa，烧结温度1500～1600℃，烧结时间5～10分钟。

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