CN104690274A - 一种聚晶金刚石-硬质合金复合片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚晶金刚石-硬质合金复合片及其制备方法，包括硬质合金基片和聚晶金刚石层，其特征在于所述的聚晶金刚石层中全部或至少一部分由钨、铼、铬、钛中的一种或多种能够与金刚石反应形成碳化物、并且热膨胀系数与金刚石接近的材料作为粘接剂，将金刚石粉在高温高压下烧结而成，剩余的部分金刚石则是通过钴参与烧结的催化作用而直接成键连接。本发明减少了聚晶金刚石层中的钴含量，可改善聚晶层的热稳定性。通过分层投料一次烧结的方式形成单层或多层结构的聚晶金刚石表层及聚晶金刚石过渡层，可根据工况需要调整金刚石表层或金刚石过渡层的热稳定性和耐磨性、抗冲击性，使本发明更适合于高温或无冷却介质工况下的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有更好热稳定性的聚晶金刚石-硬质合金复合片及其制备方法，属于超硬材料技术领域。
背景技术
聚晶金刚石-硬质合金复合片是由硬质合金基片和聚晶金刚石层构成，它除了具备较强的耐磨性和抗冲击性外，还应具有较好的高温热稳定性。在使用过程中，引起复合片失效的原因有很多。仅从热失效的角度来讲，引起复合片热失效的主要原因有以下两个：一是由于金刚石与烧结助剂钴的热膨胀系数不匹配，当温度剧烈变化时，钴的膨胀将大大超过金刚石，从而在金刚石和钴的结合部产生局部的形变应力，进而产生微裂纹，造成微区或宏观的断裂；二是由于高温下烧结助剂钴对金刚石石墨化的催化作用，使得与钴表面接触的金刚石转化为石墨，从而极大地降低了金刚石和金刚石之间的价键力，也会引起裂纹。
为了提高复合片的热稳定性，2001年美国ReedHycalog公司推出了商标号为TREX的热稳定复合片并申请了专利，TREX复合片的关键技术就是将复合片表面的钴通过酸腐蚀等方式溶解去除，使其工作寿命大大提高。但这种脱钴复合片热稳定层厚度只有0.1~0.4mm，热稳定作用有限；并且脱钴速度慢，单片需要24小时以上，基体容易被腐蚀。还存在一些其它处理方式的热稳定复合片，包括表面金刚石不用钴作为粘结剂，而是使用Si或碱金属碳酸盐代替，或用去除钴的金刚石层直接焊接到普通复合片表面，但这些方法也都存在各种问题：比如Si与钴结合不好、需要更高的压力和温度导致成本高昂、焊接强度不高等问题。
发明内容
本发明为解决上述现有技术存在的不足而提供一种具有更好热稳定性的聚晶金刚石-硬质合金复合片及其制备方法。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括硬质合金基片和聚晶金刚石层，其特征在于所述的聚晶金刚石层中至少一部分是由钨、铼、铬、钛中的一种或多种能够与金刚石反应形成碳化物、并且热膨胀系数与金刚石接近的材料作为粘接剂，将金刚石粉高压烧结而成。
按上述方案，所述的聚晶金刚石层可以是单层相同的配方，也可以是2层或多层不同的配方。
按上述方案，所述的聚晶金刚石层的表层含有30~70%重量比的钨、铼、铬、钛中的一种或多种材料。
按上述方案，所述的聚晶金刚石层与硬质合金基片之间设有聚晶金刚石过渡层，所述的聚晶金刚石层的过渡层含有0~50%重量比的钨、铼、铬、钛中的一种或多种材料。
按上述方案，所述的聚晶金刚石层的总厚度为0.5~6mm。
按上述方案，所述的聚晶金刚石层的表层中至少一部分金刚石颗粒之间是通过金刚石-X的碳化物-X- X的碳化物-金刚石的形式连接起来（X为钨、铼、铬、钛中的一种或多种材料）。剩余的部分金刚石则是通过钴的催化作用直接成键连接。
按上述方案，所述的聚晶金刚石层为一层或多层，所述的聚晶金刚石层包覆在硬质合金基片的一个或多个表面。
本发明复合片制备方法的技术方案为：在金刚石粉料中预先添加不同含量的钨、铼、铬、钛中的一种或多种材料，采用制作成型的硬质合金基体，用机械静压压紧的方式进行粉料组装，采用合成模，在高温高压下进行烧结，获得聚晶金刚石-硬质合金复合片，烧结温度为1300~1600℃，烧结压力为5~10Gpa。
按上述方案，通过分层投料一次烧结方式形成单层或多层结构的聚晶金刚石表层以及聚晶金刚石过渡层。
按上述方案，所述的高温高压烧结时间为0.5~30分钟。
按上述方案，所述的合成模由叶腊石、导电钢圈及传压零件组装而成。
本发明的有益效果在于：1、本发明从复合片热失效原理出发，用钨、铼、铬、钛中的一种或多种材料代替部分钴作为金刚石复合层的粘结剂。由于钨、铼、铬、钛的热膨胀系数均低于钴，与金刚石的热膨胀系数更为接近和匹配，聚晶层受热膨胀时与金刚石之间的膨胀差异小，可以大大减轻聚晶层热裂纹损伤；2、由于钨、铼、铬、钛的碳化物均不会使金刚石在受热时发生石墨化，也改善了聚晶层的热稳定性。预先加入的钨、铼、铬、钛中的一种或多种材料的含量越高，进入金刚石层的钴越少，热稳定性越好，但常温下的耐磨性也会越低，可以根据使用需求设计最佳的添加量；3、通过分层投料一次烧结方式形成单层或多层结构的聚晶金刚石表层以及聚晶金刚石过渡层，可根据需要调节原钴体系聚晶金刚石的耐磨性，以及本发明体系聚晶金刚石的热稳定性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的分层结构示意图。
图2为本发明另一个实施例的分层结构示意图。
具体实施方式
以下通过实施例和附图对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：在1.8克平均粒度为20微米的金刚石粉末中加入1.2克平均粒度1.5微米的钨粉，在玛瑙研磨钵中研磨1小时，然后将混合粉末装入直径约20mm的钼杯中，上面再插入一个钴含量13%的硬质合金基片，上部再用另一个钼杯扣合。将以上合成模装入六面顶压机在1500℃和6Gpa压力条件下烧结10分钟，使金刚石与硬质合金基片烧结为一个整体的复合片，即在硬质合金基片上形成有一层聚晶金刚石表层，如图1所示，取出复合片加工为直径19.05mm、高度16mm的圆柱体，聚晶金刚石表层厚度为2mm，倒角0.3×45°。用该复合片车削一定体积的花岗岩，车削时不使用水冷却，因此车削时的温度较高。称量出复合片和花岗岩磨损的重量，计算出磨耗比G=花岗岩磨损重量/复合片磨损重量=98万。在同样条件下用相同配方和工艺的直径为19.05mm、高度16mm、金刚石厚度2mm、以钴作为粘结剂的复合片车削花岗岩，得到的磨耗比为50万，可见本发明在高温或无冷却介质工况下的工作性能优于以钴作为粘结剂的复合片。
实施例2：加工方法与实例1基本相同，但金刚石复合层有聚晶金刚石表层和聚晶金刚石过渡层，其中表层含60%重量比的金刚石粉和40%重量比的钨粉，过渡层为纯金刚石粉，分层投料，如图2所示，烧结时硬质合金基片中的钴渗透进入过渡层纯金刚石粉，使金刚石微粉之间生长成键而连接起来，同时表层和过渡层之间也烧结为一个整体，表层厚度为1mm，过渡层厚度为1mm，检测此复合片的干车磨耗比为85万，也优于钴作为粘结剂的复合片。
实施例3：与上述两个实例的制备过程基本相同，金刚石复合层有聚晶金刚石表层和聚晶金刚石过渡层，不同之处在于，表层含53%重量的金刚石微粉和47%的钨粉，过渡层含62%重量的金刚石微粉和38%的钨粉。金刚石表层主要为钨金属覆盖，保护了金刚石在高温下不受钴的热膨胀和反向催化损坏，带来了优良的热稳定性。检测此复合片的干车磨耗比为148万，为以钴作粘结剂的复合片干磨磨耗比的2.4倍，可见本发明的复合片具有优良的高温性能。
Claims (10)
1.一种聚晶金刚石-硬质合金复合片，包括硬质合金基片和聚晶金刚石层，其特征在于所述的聚晶金刚石层中全部或至少一部分由钨、铼、铬、钛中的一种或多种能够与金刚石反应形成碳化物、并且热膨胀系数与金刚石接近的材料作为粘接剂，将金刚石粉在高温高压下烧结而成，剩余的部分金刚石则是通过钴参与烧结的催化作用而直接成键连接。
2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片，其特征在于所述的聚晶金刚石层由1层相同配方、或2层或多层不同配方的聚晶金刚石层构成。
3.根据权利要求1和2所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片，其特征在于所述的聚晶金刚石层的表层含有30~70%重量比的钨、铼、铬、钛中的一种或多种材料。
4.根据权利要求3所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片，所述的聚晶金刚石层与硬质合金基片之间设有聚晶金刚石过渡层，所述的聚晶金刚石层的过渡层含有0~50%重量比的钨、铼、铬、钛中的一种或多种材料。
5.根据权利要求1和2所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片，所述的聚晶金刚石层的总厚度为0.5~6mm。
6.根据权利要求1和2所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片，所述的聚晶金刚石层的表层中至少一部分金刚石颗粒之间是通过金刚石-X的碳化物-X- X的碳化物-金刚石的形式连接起来，X为钨、铼、铬、钛中的一种或多种，剩余的部分金刚石则是通过钴的催化作用而直接成键连接。
7.根据权利要求1或2所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片，所述的聚晶金刚石表层为一层或多层，所述的聚晶金刚石层包覆在硬质合金基片的一个或多个表面。
8.一种聚晶金刚石-硬质合金复合片的制备方法，在金刚石粉料中预先添加不同含量的钨、铼、铬、钛中的一种或多种材料，采用制作成型的硬质合金基体，用机械静压压紧的方式进行粉料组装，采用合成模，在高温高压下进行烧结，获得聚晶金刚石-硬质合金复合片，烧结温度为1300~1600℃，烧结压力为5~10Gpa。
9.根据权利要求8所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片制备方法，其特征在于通过分层投料一次烧结方式形成单层或多层结构的聚晶金刚石表层以及聚晶金刚石过渡层。
10.根据权利要求8或9所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片制备方法，其特征在于所述的高温高压烧结时间为0.5~30分钟。
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