CN105672891A - 一种高热稳定性聚晶金刚石复合片 - Google Patents

一种高热稳定性聚晶金刚石复合片 Download PDF

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刘宝昌
韩磊
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    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts

Abstract

本发明公开了一种具有高热稳定性聚晶金刚石复合片及制备方法，聚晶金刚石复合片具有三层结构，最上层为由碳化硅粘结的高耐热性聚晶金刚石，中间过渡层为由钴粘结的聚晶金刚石，最下层为硬质合金衬底，本发明采用双面渗透的方法，最上层的硅材料向中间的金刚石微粉渗透，最下层硬质合金中的钴也同时向中间的金刚石微粉渗透。该聚晶金刚石复合片采用高温高压烧结工艺制备，可实现传统金刚石复合片材料难以达到的耐热性能，从而提高金刚石工具的工作效率和使用寿命。

Description

一种高热稳定性聚晶金刚石复合片
技术领域
本发明涉及一种金刚石复合片，具体涉及一种具有高热稳定性聚晶金刚石复合片及制备方法，属材料学领域。
背景技术
聚晶金刚石复合片是利用超高压高温技术，将金刚石微粉烧结成聚晶体并同时复合到硬质合金基体上的一种超硬材料，集金刚石的超高硬度与硬质合金的高强度于一体，同时具有易焊接的优点。
在聚晶金刚石复合片的制备过程中，当烧结温度升高到1300℃以上时，硬质合金基体中的钴(Co)开始融化并进入金刚石微粉之间的空隙，同时在高压的作用下，促进金刚石-金刚石键(D-D键)的形成，即形成金刚石聚晶体。烧结完成后，在复合片的金刚石层中一般会残留一定量的钴。当金刚石复合片再次受到高温(如焊接或在工作过程中)时，由于钴是金刚石的催化剂，在常压高温下会促进金刚石向石墨转变，破坏金刚石-金刚石键合，从而使金刚石复合片的性能急剧下降。此外，钴与金刚石的热膨胀系数相差很大，在高温作用下，会在复合片的金刚石层中产生热应力和微裂纹，这也是导致金刚石复合片性能下降的一个原因。
聚晶金刚石复合片的一个重要应用领域是制造油气钻井或地质钻探用钻头。金刚石复合片钻头在软到中硬的、比较均质的地层中具有钻速快、效率高等明显的优势，但在坚硬、强研磨性和软硬交错等非均质地层中，仍然存在着钻速低、寿命短的难题。限制金刚石复合片钻头在坚硬的研磨性地层中使用效果的主要原因是：高接触压力和岩石的高研磨性导致金刚石复合片与岩石相互作用面上的摩擦温度过高，从而使复合片强度降低，磨损速度加快。当温度超过350℃，金刚石复合片的磨损速度比正常值高1～2个数量级。而当金刚石复合片与岩石间的摩擦温度超过750℃时(在钻进硬的研磨性地层时很容易达到此温度)，复合片将很快由于热磨损而失效。为解决上述难题，除了需要针对不同地层优化金刚石复合片钻头的结构及钻井参数外，研制具有高热稳定性的聚晶金刚石复合片至关重要。
目前国内外有用碳化硅或其它陶瓷材料代替金属粘接剂钴作为粘结相的聚晶金刚石复合材料，但都没有实现与硬质合金基体的可靠结合，都是单独使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高热稳定性的聚晶金刚石复合片及制备方法。
本发明之具有高热稳定性聚晶金刚石复合片具有三层结构，最上层为由碳化硅粘结的高耐热性聚晶金刚石，中间过渡层为由钴粘结的聚晶金刚石，最下层为硬质合金衬底，采用双面渗透的方法，最上层的硅材料向中间的金刚石微粉渗透，最下层硬质合金中的钴也同时向中间的金刚石微粉渗透。该聚晶金刚石复合片采用高温高压烧结工艺制备，可实现传统金刚石复合片材料难以达到的耐热性能，从而提高金刚石工具的工作效率和使用寿命。
所述的金刚石复合片以WC-Co硬质合金为底。
所述的聚晶金刚石复合片是由硅粉或硅片、金刚石微粉、硬质合金基体材料组成。
所述的硅粉，其粒度为1-20μm，纯度99.9％以上。
金刚石微粉的粒度为10/20μm，20/30μm、30/40μm(其中10/20μm的D50值在16-17μm；20/30μm的D50值在24-25μm；30/40μm的D50值在32-33μm)，将上述不同粒度的金刚石微粉按照重量比4：3：2混合；
硬质合金基体的牌号为YG16。
所述的金刚石微粉为人造金刚石颗粒。
本发明之具有高热稳定性聚晶金刚石复合片的制备方法包括以下步骤：
(1)、聚晶金刚石复合片是由硅粉或硅片、金刚石微粉、硬质合金基体材料组成；
(2)、将10/20μm，20/30μm、30/40μm的金刚石微粉按照重量比4：3：2混合，用三维混料机混合24小时，机械球磨混料形成均匀混合粉末；
(3)、将步骤(2)中所述制得的金刚石微粉、硅粉以及硬质合金基体在难熔金属杯中进行组装；先加入厚度为0.1～0.2mm的硅粉，再加入厚度为0.8mm金刚石微粉，最后放入硬质合金基体；
(4)、将步骤(3)中所得金属杯组装体放入由叶腊石、导电堵头组成的高压合成元件中，用六面顶压机进行高温高压烧结，烧结条件为：压力5.5-7GPa，温度1650℃-1750℃，保温保压时间为10min。
所述10/20μm金刚石微粉的D50值为16-17μm；20/30μm金刚石微粉的D50值为24-25μm；30/40μm金刚石微粉的D50值为32-33μm。
本发明的有益效果：
本发明制备的高热稳定性聚晶金刚石复合片，是综合性能良好的高耐热型复合材料，与传统的采用金属粘结剂钴的金刚石复合片相比，耐热性明显提高，提高了金刚石工具的工作效率和使用寿命。可以适应硬岩钻进、有色金属的高速切削等工作场合，适合进行推广和应用。
具体实施方式
实施例1：
首先将金刚石微粉进行预处理，然后将粒度为10/20μm、20/30μm、30/40μm(10/20μm的D50值在16-17μm；20/30μm的D50值在24-25μm；30/40μm的D50值在32-33μm)的金刚石微粉按照重量比4：3：2的比例用三维混料机混合24小时，机械球磨混料形成均匀混合粉末。将制得的金刚石微粉、硅粉以及硬质合金基体在难熔金属杯中进行组装。先加入厚度为0.1mm的硅粉，再加入厚度为0.8mm金刚石微粉，最后放入硬质合金基体；将所得的金属杯组装体放入由叶腊石、导电堵头组成的高压合成元件中进行高温高压烧结。烧结工艺参数为：压力5.5GPa，温度1650℃，保温保压时间为10min。将得到的金刚石复合片样品进行喷砂、磨削、倒角和磨超声波清洗等工序进行后处理。对高热稳定性复合片进行热重-差热(TGA-DTA)分析，该金刚石复合片的耐热温度高于常规复合片约40℃。
实施例2：
首先将金刚石微粉进行预处理，然后将粒度为10/20μm，20/30μm、30/40μm(10/20μm的D50值在16-17μm；20/30μm的D50值在24-25μm；30/40μm的D50值在32-33μm)的金刚石微粉按照重量比4：3：2的比例用三维混料机混合24小时，机械球磨混料形成均匀混合粉末。将制得的金刚石微粉、高纯单晶抛光硅片以及硬质合金基体在金属杯中进行组装。先加入厚度为0.2mm的硅片，再加入厚度为0.8mm金刚石微粉，最后放入硬质合金基体；将所得的金属杯组装体放入由叶腊石、导电堵头组成的高压合成元件中进行高温高压烧结。烧结工艺参数为：压力7GPa，温度1750℃，保温保压时间为10min。将得到的金刚石复合片样品进行喷砂、磨削、倒角和磨超声波清洗等工序进行后处理。对高热稳定性复合片进行热重-差热(TGA-DTA)分析，该金刚石复合片的耐热温度高于常规复合片约45℃。

Claims (3)

1.一种具有高热稳定性聚晶金刚石复合片，其特征在于：具有三层结构，最上层为由碳化硅粘结的高耐热性聚晶金刚石，中间过渡层为由钴粘结的聚晶金刚石，最下层为硬质合金衬底。采用双面渗透的制备方法，即在高温高压烧结过程中，最上层的硅材料向中间的金刚石微粉渗透，最下层硬质合金中的钴也同时向中间的金刚石微粉渗透。
2.权利要求1所述具有高热稳定性聚晶金刚石复合片的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)、聚晶金刚石复合片是由硅粉或硅片、金刚石微粉、硬质合金基体材料组成；
(2)、将10/20μm，20/30μm、30/40μm的金刚石微粉按照重量比4：3：2混合，用三维混料机混合24小时，机械球磨混料形成均匀混合粉末；
(3)、将步骤(2)中所述制得的金刚石微粉、硅粉以及硬质合金基体在难熔金属杯中进行组装；先加入厚度为0.1～0.2mm的硅粉，再加入厚度为0.8mm金刚石微粉，最后放入硬质合金基体；
(4)、将步骤(3)中所得金属杯组装体放入由叶腊石和导电堵头组成的高压合成元件中，用六面顶压机进行高温高压烧结，烧结条件为：压力为5.5-7GPa，温度1650℃-1750℃，保温保压时间为10min。
3.根据权利要求2所述的具有高热稳定性聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：所述的10/20μm金刚石微粉的D50值为16-17μm；20/30μm金刚石微粉的D50值为24-25μm；30/40μm金刚石微粉的D50值为32-33μm。
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