CN103623747B - 一种具有高导热性能的金刚石复合片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有高导热性能的金刚石复合片及其制备方法，该方法为：A、在多晶金刚石粉表面镀覆金刚石层，或者用高导热金属对所述多晶金刚石粉内部孔隙进行填充形成多晶金刚石团粒；B、将多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉混合装入金属杯，再装入硬质合金基体，进行真空处理；C、装入叶蜡石后烧结成金刚石复合片。本发明的金刚石复合片采用具备D-D键的高耐磨多晶金刚石，可在高温高压烧结下保护多晶团防止钴、镍、铁等结合剂的渗入。这样无需经过合成再去除PDC触媒金属的步骤，直接在合成过程中控制PCD层金属结合剂的含量。该方法不仅保留了高温高压烧结后多晶粉的高耐磨性，还可提高多晶粉的导热性能。
Description
技术领域
本发明涉超硬材料制造领域领域，尤其涉及一种具有高导热性能的金刚石复合片及其制备方法。
背景技术
金刚石-硬质合金复合片，简称金刚石复合片或PDC，主要用于金刚石复合片钻头（简称PDC钻头）的钻齿。金刚石复合片是将金刚石粉末添加一定的结合剂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。
在制作PDC过程中，一般采用钴、镍、铁作为结合剂制作高耐磨型PDC或采用硅为结合剂制作耐热型PDC。但两种方法得到的复合片在使用性能方面均具有一定的局限性：
采用钴、镍、铁作为结合剂制作PDC，由于钴的催化作用，金刚石颗粒之间互相直接烧结在一起形成D-D结合结构（金刚石-金刚石结合），该结构的聚晶金刚石的显微组织是由具有相连骨架结构的金刚石相和弥散分布的“小岛状”金属相组成。它的优点是金刚石颗粒间结合充分，制作复合片具有很高的耐磨性。缺点是在复合片使用中热量高温度高，触媒金属与金刚石颗粒的热膨胀系数差异大（金刚石的热膨胀系数只是钴的十分之一），高温下产生热应力，触媒金属的存在使得金刚石的D-D骨架遭受热损伤而易破坏，聚晶金刚石出现裂纹，导致其耐磨性能大大下降。因此，金刚石聚晶层中的铁族金属相会因工作点温度不同在一定程度上降低PDC的热稳定性。
采用硅作为结合剂制作的PDC，由于金刚石颗粒间没有形成直接结合，而是形成D-M-D结构（金刚石-过渡相-金刚石），由于Si结合剂以及形成的SiC等物相与金刚石的热膨胀系数相近，热应力较小；而且Si在高温条件下也不存在对金刚石的反催化作用，因此，硅结合剂制作的PDC虽然在一定程度上克服了热应力开裂而具有较高的热稳定性，但该种结构的缺点是PDC耐磨性较差，没有直接D-D键合。在日益发展的石油钻探行业，对金刚石复合片耐热性及综合性能提出更高的要求，硅结合剂制作的PDC在耐磨性能上的提升受到了限制。
目前大多采用针对钴、镍、铁做结合剂制作PDC，针对此种情况改进PDC热稳定性方面的解决方法是：将制作好的PDC金刚石层表面进行部分去除金属处理，金属含量的降低会在很大程度上降低热应力的影响，提高PDC耐热性，使得PDC在高温下使用仍具有较高的耐磨性能。但此种方法对去除金属技术要求较高，去除的位置、去除量控制有一定难度。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高导热性能的金刚石复合片及其制备方法，旨在解决目前金刚石复合片不能兼具高耐磨性和热传导性的问题。
本发明的技术方案如下：
一种具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：
A、在多晶金刚石粉表面镀覆金刚石层，或者用高导热金属对所述多晶金刚石粉孔隙进行填充形成多晶金刚石团粒；
B、将所述多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉混合并装入金属杯中后，再将硬质合金基体装入，将装配好的组件在500-700℃温度条件下真空处理2-10h；
C、将真空处理后的组件装入叶蜡石，在5000-6000MPa压力，1400-1600℃温度条件下烧结5-10分钟形成金刚石复合片。
所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述步骤A之前还包括：对多晶金刚石粉进行预处理（去除多晶金刚石粉内金属结合剂等杂质）。
所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述步骤A之前的预处理具体通过对多晶金刚石粉进行酸处理、碱处理并用去离子水清洗至中性，去除多晶金刚石粉内的金属结合剂、杂质等。经预处理的多晶金刚石粉金刚石颗粒具有D-D键结合且内部形成一定的孔隙，成为多晶金刚石团粒。
所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述多晶金刚石团粒在烧结前内部已具备D-D键，其经内部孔隙填充或表面镀覆金刚石薄膜后将内部D-D键进行保护预防高温高压烧结时触媒金属的进入。
所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉的混合体中多晶金刚石团粒所占质量比为70-95%。所述多晶金刚石团粒的粒径为10-500μm，所述多晶金刚石粉的粒径为1-20μm
所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述高导热金属为铜、铝、银或由铜、铝、银形成的合金。
所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述步骤C之后还包括：
D、将烧结好的金刚石复合片按照目标尺寸进行后续加工。
一种利用如上所述的方法制备的具有高导热性能的金刚石复合片，其中，所述金刚石复合片由硬质合金基体和聚晶金刚石层组成，所述聚晶金刚石层由表面镀覆金刚石层或内部孔隙填充高导热金属/合金的多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉混合烧结而成。
有益效果：本发明提供一种具有高导热性能的金刚石复合片，本发明在金刚石复合片采用具备D-D键的高耐磨多晶金刚石，通过去除多晶金刚石表面的金属结合剂提高多晶金刚石的耐热性能，并且可在高温高压烧结下保护多晶团防止钴、镍、铁等结合剂的渗入。这样无需经过合成再去除PDC触媒金属的步骤，直接在合成过程中控制聚晶金刚石（PCD）层金属结合剂的含量。该方法不仅保留了高温高压烧结后多晶粉的高耐磨性，还可提高多晶粉的导热性能。且可通过调节预处理后的多晶粉的质量配比来控制PCD层整体的金属含量，提高PDC耐热性。
附图说明
图1为本发明的具有高导热性能的金刚石复合片及其制备方法流程图。
图2为本发明的具有高导热性能的金刚石复合片结构示意图。
图3为本发明的聚晶金刚石层中的一种多晶金刚石团粒结构示意图。
图4为本发明的聚晶金刚石层中的另一种多晶金刚石团粒结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种具有高导热性能的金刚石复合片及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所述的一种具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：
S100、在多晶金刚石粉表面镀覆金刚石层，或者用高导热金属对所述多晶金刚石粉内部孔隙进行填充形成多晶金刚石团粒。其中，所述高导热金属为具有高导热率的铜、铝、银或由铜、铝、银形成的合金。
其中，所述步骤S100之前还包括：对多晶金刚石粉进行去金属结合剂的预处理。该预处理是对多晶金刚石粉进行酸处理、碱处理并用去离子水清洗至中性，去除多晶粉内的金属结合剂、杂质等。经预处理的多晶金刚石粉金刚石颗粒具有D-D键结合且内部形成一定的孔隙，成为多晶金刚石团粒。
随后对该具有孔隙度的多晶金刚石团粒进行预处理，即采用两种方式提高多晶金刚石团粒的导热性能，一是采用CVD法将多晶金刚石团表面镀覆一层金刚石层。二是对具有一定孔隙度的多晶金刚石团粒进行孔隙填充，填充具有高热导率的金属（铜、铝、银等）或其合金。该预处理目的是提高多晶金刚石团粒导热性能的同时，阻碍后续高温高压烧结PDC时Co等触媒金属的进入。即经内部孔隙填充或表面镀覆金刚石薄膜后将内部D-D键进行保护预防高温高压烧结时触媒金属的进入。因而预处理后形成具有高导热性能的多晶金刚石团粒。从而取代传统的酸处理PDC金刚石触媒金属工艺
较佳实施例中，所采用的多晶金刚石团粒的粒径为10-500μm，所采用的多晶金刚石粉的粒径为1-20μm。
S200、将所述多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉混合并装入金属杯中后，再将硬质合金基体装入，将装配好的组件在500-700℃温度条件下真空处理2-10h。所述金属杯材质为锆、钼、铌等。
其中，所述多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉的混合体中多晶金刚石团粒所占质量比为70-95%。
S300、将真空处理后的组件装入叶蜡石，在5000-6000MPa压力，1400-1600℃温度条件下烧结5-10分钟形成金刚石复合片。所述多晶金刚石团粒在烧结前内部已具备D-D键。其经内部孔隙填充或表面镀覆金刚石薄膜后将内部D-D键进行保护预防高温高压烧结时触媒金属的进入。之后多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉通过触媒金属实现烧结结合。所以，多晶金刚石团粒形成后本身具有高耐磨性能。并且多晶金刚石团粒自身结构阻止了触媒金属的进入，使得烧结后的聚晶金刚石层具有低触媒金属含量。从而降低了触媒金属对金刚石复合片热稳定性及耐磨性的危害，使金刚石复合片具备高耐磨性的同时具有高导热性能和热稳定性能。
较佳实施例中，高温高压烧结聚晶金刚石层采用具有一定粒度配比的多晶金刚石粉，较大粒径多晶金刚石粉进行预处理并最终形成多晶金刚石团粒，较小粒径多晶金刚石粉用于高温高压聚晶烧结的碳源。通过调节多晶金刚石粉的配比和预处理多晶金刚石粉的比例，可调节PCD层触媒金属的含量。根据应用需要调整PDC耐磨性和热学性能。达到理想的使用状态。
具体实施过程中，所述步骤S300之后还包括：将烧结好的金刚石复合片按照目标尺寸进行后续加工。即经卸压、冷却后，取出烧结好的金刚石复合片进行后续机加工到目标尺寸。
如图2所述的利用如上所述的方法制备的具有高导热性能的金刚石复合片，其中，所述金刚石复合片由硬质合金基体100和聚晶金刚石层组成，所述聚晶金刚石层由表面镀覆金刚石层或内部孔隙填充高导热金属的多晶金刚石团粒210与多晶金刚石粉220混合并添加触媒金属结合剂230烧结而成。如图3所示是多晶金刚石团粒的一种结构，多晶金刚石团粒是具有孔隙的多晶金刚石粉之间填充具有高热导率的金属（铜、铝、银等）或其合金形成，经烧结后，多晶金刚石团粒210内部形成具有D-D结合键的金刚石颗粒211，而在金刚石颗粒之间是与颗粒紧密结合的高导热金属或合金212.如图4所示的是多晶金刚石团粒的另一种结构，多晶金刚石团粒是具有孔隙的多晶金刚石粉表面镀覆一层金刚石层，经烧结后，多晶金刚石团粒内部形成具有D-D结合键的金刚石颗粒211，而在多晶金刚石团粒外侧是包裹金刚石颗粒211的金刚石镀覆层213。上述两种多晶金刚石团粒都具有相同的技术效果，即利用保证多晶金刚石粉本身高耐磨性使金刚石复合片具备高耐磨性的同时控制高温高压烧结过程中触媒金属渗入含量从而提高产品热导性和使用耐热性。
本发明提供一种具有高导热性能的金刚石复合片，本发明在金刚石复合片采用具备D-D键的高耐磨多晶金刚石，通过去除多晶金刚石表面的金属结合剂提高多晶金刚石的耐热性能，并且可在高温高压烧结下保护多晶团防止钴、镍、铁等结合剂的渗入。这样无需经过合成再去除PDC触媒金属的步骤，直接在合成过程中控制PCD层金属结合剂的含量。该方法不仅保留了高温高压烧结后多晶粉的高耐磨性，还可提高多晶粉的导热性能。且可通过调节预处理后的多晶粉的质量配比来控制PCD层整体的金属含量，提高PDC耐热性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A、在多晶金刚石粉表面镀覆金刚石层，或者用高导热金属对所述多晶金刚石粉内部孔隙进行填充形成多晶金刚石团粒；
B、将所述多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉混合并装入金属杯中后，再将硬质合金基体装入，将装配好的组件在500-700℃温度条件下真空处理2-10h；
C、将真空处理后的组件装入叶蜡石，在5000-6000MPa压力，1400-1600℃温度条件下烧结5-10分钟形成金刚石复合片；
所述多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉的混合体中多晶金刚石团粒所占质量比为70-95%；所述多晶金刚石团粒的粒径为10-500μm，所述多晶金刚石粉的粒径为1-20μm；
所述步骤A之前还包括：对多晶金刚石粉进行去金属结合剂处理；
所述多晶金刚石团粒在高温高压烧结前内部已具备D-D键；
所述高导热金属为铜、铝、银或由铜、铝、银形成的合金。
2.根据权利要求1所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述步骤A中去金属结合剂处理具体通过对多晶金刚石粉进行酸处理、碱处理并用去离子水清洗至中性。
3.根据权利要求1所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：
D、将烧结好的金刚石复合片按照目标尺寸进行后续加工。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述的方法制备的具有高导热性能的金刚石复合片，其特征在于，所述金刚石复合片由硬质合金基体和聚晶金刚石层组成，所述聚晶金刚石层由表面镀覆金刚石层或内部孔隙填充高导热金属的多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉混合烧结而成。
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