CN106563809A - 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，所述聚晶金刚石‑硬质合金复合片包括硬质合金基体和通过烧结复合在硬质合金基体上表面的聚晶金刚石层，所述硬质合金基体全部为细晶粒硬质合金，或者为细晶粒硬质合金层与常规晶粒硬质合金层的复合结构，所述细晶粒硬质合金晶粒度为0.1‑1.5微米。与常规晶粒硬质合金制备的复合片相比，本发明所述硬质合金基体与聚晶金刚石层接触部分为晶粒0.1‑1.5微米的细晶粒硬质合金，聚晶金刚石层与硬质合金基体间的残余应力降低15.5‑34.5％，提升了复合片的抗冲击性；另外，聚晶金刚石层的钴含量降14.3‑30％，能有效提高金刚石复合片的耐磨性、热稳定性和使用寿命。

Description

一种聚晶金刚石-硬质合金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，具体涉及一种用于石油地质钻探或机械加工的聚晶金刚石-硬质合金复合片及其制备方法。
背景技术
聚晶金刚石-硬质合金复合片一般由两层材料复合而成，上层为聚晶金刚石层，下层为硬质合金基体。聚晶金刚石层具有高耐磨性，硬质合金基体具有很高的韧性，通过硬质合金基体与聚晶金刚石层烧结复合，增加了整个聚晶金刚石-硬质合金复合片的抗冲击和耐磨损性能，也使聚晶金刚石-硬质合金复合片易于焊接到钻头或刀杆上。
聚晶金刚石材料的热膨胀系数在1.5-3.8×10-6/℃之间，杨氏模量约为132×106PSI，而硬质合金的热膨胀系数在4.5-8.5×10-6/℃之间，杨氏模量在72.5-101.5×106PSI之间，二者在热膨胀系数和杨氏模量上的显著差异会导致聚晶金刚石-硬质合金复合片在烧结复合后期冷却降温时，硬质合金的收缩大于聚晶金刚石层的收缩，从而在聚晶金刚石层和硬质合金的结合界面处形成有害的残余应力，使得聚晶金刚石-硬质合金复合片有脱层趋势，降低其在使用过程中的抗冲击性能。
为降低该有害残余应力，提高产品的抗冲击性，本领域相关学者采取了诸多方法，如美国专利4604106在聚晶金刚石层和硬质合金层之间增加一层过渡层，其物理性质介于二者之间，以减小界面有害应力，但由于过渡层由两种材料混合而成，强度低于硬质合金基体，减弱了复合片整体的抗冲击性能。又如美国专利5469927采用把结合界面由平面改为曲面的方法来改善有害应力的分布，但金刚石和硬质合金两种材料性质的不同依然限制了最后的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种聚晶金刚石-硬质合金复合片及其制备方法，该聚晶金刚石-硬质合金复合片硬质合金基体与聚晶金刚石层接触部分晶粒度小，与常规晶粒硬质合金相比，细晶硬质合金基体的热膨胀系数与金刚石的热膨胀系数相差更小，从而减小了硬质合金基体与聚晶金刚石层间的残余应力，因此在产品上的残余应力也更小。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种聚晶金刚石-硬质合金复合片，所述聚晶金刚石-硬质合金复合片包括硬质合金基体和通过烧结复合在硬质合金基体上表面的聚晶金刚石层，所述硬质合金基体全部为细晶粒硬质合金，或者为细晶粒硬质合金层与常规晶粒硬质合金层的复合结构，其中细晶粒硬质合金层靠近聚晶金刚石层，所述细晶粒硬质合金平均晶粒度为0.1-1.5微米。
按上述方案，所述聚晶金刚石层厚度为2-3mm。
按上述方案，所述细晶粒硬质合金层厚度为0.1-20mm。目前常见的复合片的硬质合金基体长度范围为6-23mm，根据实际生产需要，可调节细晶粒硬质合金层厚度为0.1-20mm。
优选的是，所述细晶粒硬质合金层厚度为0.1-5mm。
按上述方案，所述硬质合金基体包括以下重量含量的组份：钴6-15％，碳化钨85-94％。
按上述方案，所述聚晶金刚石层包括以下重量含量的组份：钴8.5-12％，金刚石88-91.5％。
本发明所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片的制备方法步骤如下：
1)制备硬质合金基体：向球磨机的球磨罐中加入晶粒度为0.1-1微米的碳化钨粉末、晶粒度为2-5微米的钴粉以及溶剂和硬质合金球进行球磨，其中碳化钨粉末与钴粉质量比为85-94:6-15，球磨3-5h后加入粘接剂继续球磨0.5h，随后将所得粉料干燥除去溶剂，再用锤磨机对粉料进行锤磨，然后将粉料造粒、过筛，最后经压制、烧结、磨削抛光后加工处理，得到全部为细晶粒硬质合金的硬质合金基体；或者过筛后与常规晶粒硬质合金压制、烧结、磨削抛光后加工处理，得到细晶粒硬质合金层与常规晶粒硬质合金层复合的硬质合金基体；
2)制备聚晶金刚石-硬质合金复合片：将步骤1)所得的全部为细晶粒硬质合金的硬质合金基体或细晶粒硬质合金层与常规晶粒硬质合金层复合的硬质合金基体的细晶粒硬质合金层一端与晶粒度为10-30微米的金刚石粉末进行内、外组装成合成模后放入六面顶压机在1300-1600℃和5-8Gpa压力条件下烧结成型得到聚晶金刚石-硬质合金复合片。
内组装是用金属杯将基体和金刚石粉料包裹在一起，然后用各种盐零件和叶腊石块再将之包裹起来，这叫做外组装。外组装完成后，将这个包裹好的块状物体(称之为合成模)放入六面顶压机的压制腔内进行压制。
按上述方案，步骤1)所述溶剂为丙酮。
按上述方案，步骤1)所述硬质合金球与粉料的质量比为3.25:1。
按上述方案，步骤1)所述粘接剂为石蜡，粘接剂加入量为粉料质量的2-5％。
按上述方案，步骤1)所述用锤磨机对粉料进行锤磨的工艺条件为：转速2500-3500转/min，锤磨时间为1-2h。
按上述方案，步骤2)所述金刚石粉末加入量与硬质合金基体尺寸相关，金刚石粉末加入量＝硬质合金基体中聚晶金刚石层体积×金刚石密度，其中金刚石密度为3.48-3.54g/cm3。
金刚石复合片在井下钻进时经常会遇到腐蚀性液体或气体，从而造成硬质合金基体受腐蚀，导致复合片发生早期异常崩齿和破损，本发明采用在硬质合金基体中添加少量耐腐蚀金属钴的方法来提升基体的抗腐蚀性。
目前所用的常规硬质合金基体大多为钴含量在13-16％的碳化钨-钴合金，硬度在HRA86-89.5之间，平均晶粒度在3-10微米之间，3-10微米之间的硬质合金基体由于耐磨性、弹性模量、热膨胀系数等基本物理参数与聚晶金刚石材料相差较大，更易于受到冲击脱层。
复合片聚晶金刚石层的常规钴含量在12-15％的范围内。这部分钴来源于烧结过程中硬质合金基体中的钴的向聚晶金刚石层的迁移和在聚晶金刚石层中的扫越。钴的存在是促进聚晶金刚石层中金刚石颗粒溶解-析出-成键的重要触媒，不可或缺。但同时，钴会降低聚晶金刚石层的耐磨性，还会因为热膨胀系数的较大差异在受热条件下产生金刚石晶粒键合间的微裂纹，从而导致聚晶金刚石层的碎裂和复合片的早期失效。因此，在保证金刚石晶粒烧结成键完整的前提下，钴含量越少，复合片的热稳定性和使用寿命越好。国内外众多复合片厂家及研究机构通过采用改进硬质合金基体配方、金刚石粉料配方或复合片烧结工艺来降低聚晶金刚石层的钴含量，也有采用酸液、电解液去除金属钴的“脱钴”工艺来降低钴含量，提高复合片综合性能。本发明采用硬质合金基体中含细晶粒硬质合金的一端与晶粒度为10-30微米的金刚石粉末组装、压制，再经烧结成型制备聚晶金刚石-硬质合金复合片，在烧结时，基体中的钴往金刚石层中渗透，高压保证了聚晶层中只会存在钴和金刚石，而且由于细晶基片增大了复合片烧结时钴从基体往聚晶金刚石层中的迁移难度(晶界更多，迁移路程更长)，使得聚晶金刚石层中的钴含量相比常规基体有显著降低，显著提高了复合片产品的耐热性、耐磨性和使用寿命。
本发明的有益效果在于：与常规晶粒的硬质合金相比，本发明所提供的聚晶金刚石-硬质合金复合片的硬质合金基体与聚晶金刚石层接触部分为细晶粒硬质合金，它的优点主要是——晶粒细小(0.1-1.5微米)，与聚晶金刚石层的热膨胀系数相差较小，因此在界面产生的残余应力也比常规基体的要小(界面残余应力降低15.5-34.5％)，有利于提高复合片的抗冲击性；同时细晶基片由于增大了复合片烧结时钴从基体往聚晶金刚石层中的迁移难度(晶界更多，迁移路程更长)，使得聚晶金刚石层中的钴含量相比常规基体有显著降低(降低14.3-30％)，可显著提高复合片产品的耐热性、耐磨性和使用寿命；细晶基体本身的硬度、强度和耐腐蚀性也比常规基体有明显提高，减少了复合片在井下使用时受到冲蚀、磨损和腐蚀所导致的早期损坏的可能性(相比常规复合片，本发明所提供的聚晶金刚石-硬质合金复合片耐磨性提高15.4-52.3％，抗冲击性提高4-30％，使用寿命提高50％)。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的聚晶金刚石-硬质合金复合片的结构示意图；
图2为实施例3所制备的聚晶金刚石-硬质合金复合片的结构示意图；
图3为实施例2所制备的聚晶金刚石-硬质合金复合片的硬质合金基体中细晶硬质合金的SEM照片；
图4为对比例1所制备的常规聚晶金刚石-硬质合金复合片的硬质合金基体的SEM照片。
图中：1-聚晶金刚石层；2-细晶粒硬质合金；3-常规硬质合金层。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
对比例1
制备常规聚晶金刚石-硬质合金复合片，方法如下：将常规硬质合金基体(成分及含量：钴13％，碳化钨87％，碳化钨为3-10微米的常规晶粒度)与1.82g 10-30微米的金刚石粉末进行内、外组装成合成模后放入六面顶压机在1500℃和7Gpa压力条件下烧结成型得到聚晶金刚石-硬质合金复合片。图4为本对比例所制备的常规聚晶金刚石-硬质合金复合片的硬质合金基体的SEM照片，由图可看出碳化钨(WC)晶粒度为3-10微米。
实施例1
聚晶金刚石-硬质合金复合片的制备方法，步骤如下：
1)称取5220g晶粒度为0.5微米的WC粉末和780g晶粒度为5微米的钴粉，在搅拌球磨罐中加入3.0L丙酮、硬质合金球(Φ5-10mm合金球19.5Kg)和上述粉料进行球磨(球磨转速190rpm)，球磨3.5h之后加入0.2L粘接剂石蜡继续球磨0.5h，球磨后将粉料放进干燥箱干燥，脱除部分溶剂，然后在锤磨机上采用3000转/min的转速对粉料进行锤磨(转速3000转/min)，锤磨时间为1.5h，使粉料达到蓬松、没有砂砾感且很细的状态，然后采用1.2Kg/cm2的压力对粉料进行压团后分两次造粒，使粉料成型、球化，然后采用325目筛网对粉料进行过筛处理，使粉料达到光滑、均匀的状态，最后对粉料进行压制、烧结和磨削抛光后加工，制成直径为17.22mm、高度12.50mm的圆柱型的硬质合金基体；
2)取一个步骤1)所得硬质合金基体与1.82g金刚石粉末(粒度10-30微米)进行内、外组装成合成模后放入六面顶压机在1500℃和7Gpa压力条件下烧结成型得到直径15.88mm、高度13.22mm的聚晶金刚石-硬质合金复合片(聚晶金刚石层厚2.00mm)。
本实施例所制备的聚晶金刚石-硬质合金复合片的结构示意图如图1所述，图中1为聚晶金刚石层，2为细晶粒硬质合金。
经测试，本实施例所制备的硬质合金基体平均晶粒度为0.5微米，硬质合金基体中Co含量为13％，WC含量为87％；聚晶金刚石层中Co含量为8.75％，金刚石含量为91.25％。采用X射线衍射仪测试聚晶金刚石层与硬质合金基体界面间的有害残余应力为0.97GPa，采用磁性能法测得其聚晶金刚石层的钴含量为8.75％，基体硬度为93.5HRA，采用复合片车削花岗岩的方法测得该复合片的耐磨性(岩石磨损质量/复合片磨损质量)为236万，采用落锤冲击的方法测得该复合片的抗冲击性为52J，采用三区炉加热出现热裂纹的方法测得该复合片的热稳定性温度为865℃，采用重载切削试验机的方法测得该复合片的使用寿命为120圈。
实施例2
采用与实施例1相似的方法制备聚晶金刚石-硬质合金复合片，区别在于所用WC粉末的晶粒度为0.8微米，粉料压团压力为1.4Kg/cm2。
经测试，本实施例所制备的硬质合金基体晶粒度为0.8微米，聚晶金刚石层与硬质合金基体界面间的有害残余应力为1.14GPa，聚晶金刚石层的钴含量为9.25％，基体硬度为91.6HRA，复合片的耐磨性(岩石磨损质量/复合片磨损质量)为195万，复合片的抗冲击性为55J，复合片的热稳定性为860℃，复合片的使用寿命为120圈。
本实施例所制备的聚晶金刚石-硬质合金复合片的细晶硬质合金的SEM照片如图3所示，细晶粒的晶粒度为0.1-1.5微米(平均晶粒度为0.8微米)。与之相对应的是常规硬质合金基体的微观组织如图4所示，图中亮白部分为WC晶粒，黑色部分为钴相，图3与图4的对比可看出0.8微米细晶基体的大部分WC晶粒度在0.1-1.5微米之间(WC晶粒在烧结过程中会出现长大现象)，而常规基体的大部分WC晶粒度在3.0-10.0微米之间。
实施例3
采用与实施例1相似的方法制备聚晶金刚石-硬质合金复合片，区别在于制备细晶基体粉料阶段最后对粉料进行压制时，在模具中先装部分细晶粉料(平均晶粒0.8微米)，压平后再装剩余常规粉料(晶粒3-10微米)，制成直径为17.22mm的圆柱型聚晶金刚石-硬质合金复合片，其中硬质合金基体具有双层结构，硬质合金基体靠近聚晶金刚石层的细晶粒硬质合金层厚度为3.50mm，其余部分为常规晶粒硬质合金层，常规晶粒硬质合金层厚度为9.00mm。
经测试，本实施例所制备的聚晶金刚石层与硬质合金基体界面间的有害残余应力为1.25GPa，聚晶金刚石层的钴含量为10.75％，基体硬度为90.2HRA，复合片的耐磨性(岩石磨损质量/复合片磨损质量)为179万，复合片的抗冲击性为65J，复合片的热稳定性温度为855℃，复合片的使用寿命为120圈。
本实施例采用双层结构基体的复合片获得了较优的抗冲击性能，这是因为细晶基体虽然可以降低界面残余应力、金刚石层钴含量，并提高硬度、耐磨和耐热性，但同时其脆性也增加了，容易在受到冲击时产生破坏，采用两层基体既可以发挥细晶基体的优势，又可避免整体细晶脆性导致的冲击性不佳问题，在复合片抗冲击性能提升上具有显著优势。
本实施例所制备的聚晶金刚石-硬质合金复合片的结构示意图如图2所述，其中1为聚晶金刚石层，2为细晶粒硬质合金层，3为常规晶粒硬质合金层。2和3的厚度可根据实际生产需求进行调整。
上述实施例中各种基片对金刚石复合片各项性能的影响，以及与常规晶粒基体(对比例1)的各项性能如表1所示：
表1
由表1可知，与常规晶粒硬质合金制备的复合片(对比例1)相比，本发明所述硬质合金基体与聚晶金刚石层接触部分为晶粒0.1-1.5微米的细晶粒硬质合金，聚晶金刚石层与硬质合金基体间的残余应力降低15.5-34.5％，提升了复合片的抗冲击性；另外，聚晶金刚石层的钴含量降14.3-30％，能有效提高金刚石复合片的耐磨性、热稳定性和使用寿命(相比常规复合片，本发明所提供的聚晶金刚石-硬质合金复合片耐磨性提高15.4-52.3％，抗冲击性提高4-30％，使用寿命提高50％)。

Claims (9)

1.一种聚晶金刚石-硬质合金复合片，其特征在于：所述聚晶金刚石-硬质合金复合片包括硬质合金基体和通过烧结复合在硬质合金基体上表面的聚晶金刚石层，所述硬质合金基体全部为细晶粒硬质合金，或者为细晶粒硬质合金层与常规晶粒硬质合金层的复合结构，其中细晶粒硬质合金层靠近聚晶金刚石层，所述细晶粒硬质合金平均晶粒度为0.1-1.5微米。
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，所述细晶粒硬质合金层厚度为0.1-20mm。
3.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，所述硬质合金基体的细晶粒硬质合金中包括以下重量含量的组份：钴6-15％，碳化钨85-94％。
4.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，所述聚晶金刚石层包括以下重量含量的组份：钴8.5-12％，金刚石88-91.5％。
5.一种权利要求1-4任一所述的聚晶金刚石-硬质合金复合片的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)制备硬质合金基体：向球磨机的球磨罐中加入晶粒度为0.1-1微米的碳化钨粉末、晶粒度为2-5微米的钴粉以及溶剂和硬质合金球进行球磨，其中碳化钨粉末与钴粉质量比为85-94:6-15，球磨3-5h后加入粘接剂继续球磨0.5h，随后将所得粉料干燥除去溶剂，再用锤磨机对粉料进行锤磨，然后将粉料造粒、过筛，最后经压制、烧结、磨削抛光后加工处理，得到全部为细晶粒硬质合金的硬质合金基体；或者过筛后与常规晶粒硬质合金压制、烧结、磨削抛光后加工处理，得到细晶粒硬质合金层与常规晶粒硬质合金层复合的硬质合金基体；
2)制备聚晶金刚石-硬质合金复合片：将步骤1)所得的全部为细晶粒硬质合金的硬质合金基体或细晶粒硬质合金层与常规晶粒硬质合金层复合的硬质合金基体的细晶粒硬质合金层一端与晶粒度为10-30微米的金刚石粉末进行内、外组装成合成模后放入六面顶压机在1300-1600℃和5-8Gpa压力条件下烧结成型得到聚晶金刚石-硬质合金复合片。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述溶剂为丙酮。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述硬质合金球与粉料的质量比为3.25:1。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述粘接剂为石蜡，粘接剂加入量为粉料质量的2-5％。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述用锤磨机对粉料进行锤磨的工艺条件为：转速2500-3500转/min，锤磨时间为1-2h。
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