CN103624262B - 一种耐热型聚晶金刚石复合片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种耐热型聚晶金刚石复合片及其制备方法，所述聚晶金刚石复合片由硬质合金基体和结合在硬质合金基体上的聚晶金刚石层构成，所述聚晶金刚石层由具有D‑D键结构的多晶金刚石颗粒与强碳化合物烧结而成，其组分按质量百分比计为：多晶金刚石颗粒80‑95%；强碳化合物5‑20%。本发明的聚晶金刚石复合片通过去除结合剂相的多晶金刚石颗粒使得复合片具有很高的耐磨性。而采用强碳化物作为结合剂则可以避免由于钴、镍、铁等结合剂的反催化作用造成的热损害和由于热膨胀系数差异造成的应力损害。保证PDC具有很高的热稳定性。

Description

一种耐热型聚晶金刚石复合片及其制备方法

技术领域

本发明涉超硬材料制造领域领域，尤其涉及一种耐热型聚晶金刚石复合片及其制备方法。

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。

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。因为金刚石颗粒间结合充分，所以一般采用钴、镍、铁作为结合剂制作复合片具有很高的耐磨性。

但是作为高压下促使石墨转变为金刚石的结合剂金属—钴、镍、铁，常压下也会促进金刚石向石墨的转变，降低金刚石聚晶强度。另一方面，金刚石的热膨胀系数只是钴的十分之一，当工作温度很高时，容易产生热应力，破坏金刚石骨架，使聚晶金刚石出现裂纹，造成应力损害。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具有较高的热稳定性。但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），所以该种结构的PDC耐磨性较差。

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耐热型聚晶金刚石复合片及其制备方法，旨在解决目前目前金刚石复合片不能兼具高耐磨性和热传导（耐热）性的问题。

本发明的技术方案如下：

一种耐热型聚晶金刚石复合片，其中，所述聚晶金刚石复合片由硬质合金基体和结合在硬质合金基体上的聚晶金刚石层构成，所述聚晶金刚石层由具有D-D键结构的多晶金刚石颗粒与强碳化合物烧结而成其组分按质量百分比计为：

多晶金刚石颗粒 80-95%；

强碳化合物 5-20%。

所述的耐热型聚晶金刚石复合片，其中，所述多晶金刚石颗粒粒径为5-500μm，所述强碳化合物的粒径为1-100μm。

所述的耐热型聚晶金刚石复合片，其中，所述多晶金刚石颗粒由混合粒径或单一粒径的金刚石颗粒组成。

所述的耐热型聚晶金刚石复合片，其中，所述多晶金刚石颗粒按质量百分比计包括：

60～90um粒径的多晶金刚石颗粒 55-65%；

40～60um粒径的多晶金刚石颗粒 15-30%；

10～20um粒径的多晶金刚石颗粒 5-20%。

所述的耐热型聚晶金刚石复合片，其中，所述强碳化合物为Si、Ti-Si-B、Si-Ni、TiC、TiNC等物质中的一种或多种。

所述的耐热型聚晶金刚石复合片，其中，所述聚晶金刚石层按质量百分比计由以下组分烧结而成：

60～90um粒径的多晶金刚石颗粒 60%；

40～60um粒径的多晶金刚石颗粒 20%；

10～20um粒径的多晶金刚石颗粒 10%；

10～20um粒径的Ti-Si-B 10%。

所述的耐热型聚晶金刚石复合片，其中，所述多晶金刚石颗粒由金刚石颗粒以D-D键结合而成，所述金刚石颗粒的粒径为1-30μm。

一种如上所述的耐热型聚晶金刚石复合片的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：

A、利用金刚石颗粒烧结形成多晶金刚石颗粒；

B、将所述多晶金刚石颗粒和强碳化合物混合装入金属杯或碳模（石墨模具）中之后，再将硬质合金基体装入；

C、将装配好的组件在500-700℃温度条件下真空处理2-10h；

D、将真空处理后的组件装入叶蜡石，在5000-6000MPa压力， 1500-1600℃温度条件下烧结30-600秒；

E、将烧结好的聚晶金刚石复合片按照目标尺寸进行后续加工。

所述的耐热型聚晶金刚石复合片的制备方法，其中，所述步骤B中将装配好的组件在600℃温度条件下真空处理7h；所述步骤C中烧结时间为300秒。

所述的耐热型聚晶金刚石复合片的制备方法，其中，所述步骤A中形成多晶金刚石颗粒后需进行去除结合剂处理。

有益效果：本发明提供一种耐热型聚晶金刚石复合片及其制备方法，通过去除结合剂相的多晶金刚石颗粒使得复合片具有很高的耐磨性。而采用强碳化物作为结合剂则可以避免由于钴、镍、铁等结合剂的反催化作用造成的热损害和由于热膨胀系数差异造成的应力损害。保证PDC具有很高的热稳定性。

附图说明

图1为本发明的耐热型聚晶金刚石复合片的结构示意图。

图2为本发明的耐热型聚晶金刚石复合片的制备方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种耐热型聚晶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。

本发明提供的一种耐热型聚晶金刚石复合片，其中，所述聚晶金刚石复合片由硬质合金基体和结合在硬质合金基体上的聚晶金刚石层构成，所述聚晶金刚石层由具有D-D键结构的多晶金刚石颗粒与强碳化合物烧结而成，其组分按质量百分比计为：

多晶金刚石颗粒 80-95%；

强碳化合物 5-20%。

其中，所述多晶金刚石颗粒粒径为5-500μm，所述多晶金刚石颗粒是由混合粒径或单一粒径的金刚石颗粒组成。

较佳实施例中，所述多晶金刚石颗粒组成最佳径选择为60～90um，40～60um，10～20um三种规格，则多晶金刚石颗粒组成按质量百分比计包括：

60～90um粒径的多晶金刚石颗粒 55-65%；

40～60um粒径的多晶金刚石颗粒 15-30%；

10～20um粒径的多晶金刚石颗粒 5-20%。

其中，所述多晶金刚石颗粒是由1-30μm粒径的金刚石颗粒以D-D键结合而成。较佳的是，所述金刚石颗粒粒径选择为2-5μm。

所述强碳化合物为Si、Ti-Si-B、Si-Ni、TiC、TiNC等物质中的一种或多种。其粒径为1-100μm。

较佳实施例中，所述聚晶金刚石层按质量百分比计由以下组分烧结而成：

60～90um粒径的多晶金刚石颗粒 60%；

40～60um粒径的多晶金刚石颗粒 20%；

10～20um粒径的多晶金刚石颗粒 10%；

10～20um粒径的Ti-Si-B 10%。

如图1所示的是最终制备形成的耐热型聚晶金刚石复合片结构示意图，其在硬质合金基体4上形成聚晶金刚石层，聚晶金刚石层中包括多晶金刚石颗粒2和用与将多晶金刚石颗粒结合到一起的强碳化合物结合剂1，在烧结完成后在多晶金刚石颗粒与结合剂的接触面会形成过渡相3。其中本发明去除了结合剂相的多晶金刚石颗粒由于其本身保留了很多的D-D结合键，具有很高的耐磨性。而采用强碳化物作为结合剂则可以避免由于钴、镍、铁等结合剂的反催化作用造成的热损害和由于热膨胀系数差异造成的应力损害。保证PDC具有很高的热稳定性。

如图2所示的如上所述的耐热型聚晶金刚石复合片的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：

S100、利用金刚石颗粒烧结形成多晶金刚石颗粒。

其中，所述步骤S100中形成多晶金刚石颗粒后需进行去除结合剂处理。通过去除结合剂处理去除多晶金刚石颗粒间夹杂的钴、镍、铁等成分，去除结合剂的方法有酸处理法或电解法，其中，酸处理工艺具体为：将多晶金刚石颗粒放入酸液中，煮沸处理10小时。

S200、将所述多晶金刚石颗粒和强碳化合物混合装入金属杯或碳模（石墨模具）中之后，再将硬质合金基体装入。

上述步骤具体为：将单一粒径的多晶金刚石颗粒或混合粒径的多晶金刚石颗粒与质量比为5-20%，粒径为1-100um的强碳化物（例如Si、Ti-Si-B、Si-Ni、TiC、TiNC等）结合剂均匀混合后装入金属杯或碳模中，金属杯材质为锆、钼或者铌。最后在上述混合粉上装入硬质合金基体。

S300、将装配好的组件在500-700℃温度条件下真空处理2-10h。其中，最佳处理温度为600℃，最佳处理时间为7h通过真空处理对原料进行净化，真空处理温度选择对聚晶金刚石复合片的性能会产生较大影响，若处理温度过低，达不到真空处理净化的效果，而温度过高，则金刚石微粉又容易发生石墨化，造成强度降低，且结合剂也易发生氧化，降低结合效果。而选择600℃的处理温度则能很好的避免上面的问题，即能最大限度的净化原料，又能保证金刚石微粉不发生石墨化和结合剂不进行氧化，保证了最终制备的聚晶金刚石复合片具备良好的耐热性和高耐磨强度。

S400、将真空处理后的组件装入叶蜡石，在5000-6000MPa压力， 1500-1600℃温度条件下烧结30-600秒。其中，最佳烧结时间为300秒。烧结时间影响最终制备的聚晶金刚石复合片的性能，若烧结时间过短，金刚石与结合剂间不能充分反应，相互之间的结合强度不够，会降低产品的耐磨性，而烧结时间过长，一方面金刚石容易发生石墨化，降低强度，另一方面聚晶金刚石层与硬质合金基体的结合界面也会因为烧结时间过程而发生开裂，造成产品报废）。而300秒烧结时间能够使金刚石与结合剂充分反应，是两者之间具备最强的结合强度。同时该烧结时间也不会造成金刚石石墨化的问题，最终制得的产品耐磨性和耐热性能优良。

S500、将烧结好的聚晶金刚石复合片按照目标尺寸进行后续加工。烧结后进行卸压、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

本发明提供一种耐热型聚晶金刚石复合片及其制备方法，通过去除结合剂相的多晶金刚石颗粒使得复合片具有很高的耐磨性。而采用强碳化物作为结合剂则可以避免由于钴、镍、铁等结合剂的反催化作用造成的热损害和由于热膨胀系数差异造成的应力损害。保证PDC具有很高的热稳定性。

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)

1.一种耐热型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石复合片由硬质合金基体和结合在硬质合金基体上的聚晶金刚石层构成，所述聚晶金刚石层由具有D-D键结构的多晶金刚石颗粒与强碳化合物烧结而成，所述强碳化合物为Ti-Si-B；

所述多晶金刚石颗粒为经去除结合剂的多晶金刚石颗粒，所述去除结合剂的方法为酸处理法，所述酸处理法为：将多晶金刚石颗粒放入酸液中，煮沸处理10小时；

多晶金刚石颗粒由混合粒径的多晶金刚石颗粒组成；

所述聚晶金刚石层按质量百分比计包括：

60～90um粒径的多晶金刚石颗粒 60%；

40～60um粒径的多晶金刚石颗粒 20%；

10～20um粒径的多晶金刚石颗粒 10%；

10～20um粒径的Ti-Si-B 10%。

2.根据权利要求1所述的耐热型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述多晶金刚石颗粒由金刚石颗粒以D-D键结合而成，所述金刚石颗粒的粒径为1-30μm。

3.一种如权利要求1或2所述的耐热型聚晶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、利用金刚石颗粒烧结形成多晶金刚石颗粒；

B、将所述多晶金刚石颗粒和强碳化合物混合装入金属杯或碳模中之后，再将硬质合金基体装入；

C、将装配好的组件在500-700℃温度条件下真空处理2-10h；

D、将真空处理后的组件装入叶蜡石，在5000-6000MPa压力， 1500-1600℃温度条件下烧结30-600秒；

E、将烧结好的聚晶金刚石复合片按照目标尺寸进行后续加工；

所述步骤A中形成多晶金刚石颗粒后需进行去除结合剂处理；所述去除结合剂的方法为酸处理法，所述酸处理的方法为：将多晶金刚石颗粒放入酸液中，煮沸处理10小时。

4.根据权利要求3所述的耐热型聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述步骤C中将装配好的组件在600℃温度条件下真空处理7h；所述步骤D中烧结时间为300秒。