CN107838428A - 一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片及其制备方法，所述的聚晶金刚石复合片，包括：具有纤维独石仿生结构的聚晶金刚石层和YG16硬质合金基体，纤维独石仿生结构由纤维胞体和界面层组成，纤维独石仿生结构中的纤维胞体结构性质与金刚石性能相似，具有较高的耐磨性，界面层结构在聚晶金刚石层受力产生裂纹时，能使裂纹在扩展主方向上发生偏移并最终吸收掉断裂能量，使聚晶金刚石复合片获得极高的断裂韧性，从而在兼顾耐磨性的同时，极大提高聚晶金刚石复合片的断裂韧性。

Description

一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片及其制备方法

技术领域

本发明属于金刚石复合片领域，特别涉及一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片及其制备方法。

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。

采用聚晶金刚石复合片作为切削齿的复合片钻头虽然在软到中硬的、比较均质的地层中具有钻进快、效率高等优势，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。研究表明，限制聚晶金刚石复合片钻头在硬的研磨性地层中使用效果的主要原因是：钻柱的轴向振动、扭转振动、横向振动和涡动等引起的冲击载荷使聚晶金刚石复合片切削刃碎裂；高接触压力和岩石的高研磨性导致聚晶金刚石复合片切削刃与岩石相互作用面上的摩擦温度过高，从而使聚晶金刚石复合片切削刃强度降低，磨损速度加快。聚晶金刚石复合片切削刃碎裂与其自身的断裂韧性有关，断裂韧性越强，聚晶金刚石复合片切削刃的抗碎裂性能越好。现有聚晶金刚石复合片多为一层均匀的聚晶金刚石层与硬质合金结合而成，聚晶金刚石层的断裂韧性和耐磨性很大程度上受到聚晶金刚石层粘接剂含量的影响，聚晶金刚石层粘接剂含量越多，其断裂韧性越好，但耐磨性相应有所减少，故对于具有单层的聚晶金刚石层的复合片而言，断裂韧性与耐磨性是一对矛盾体，很难做到两者兼顾。

在自然界中，竹木所具有的优越的抗断裂能力和高强度等力学特性主要来源于竹原纤维，针对上文所提到的问题，其他领域诸如陶瓷材料等采用类似竹原纤维的仿生结构(纤维独石结构)已取得良好效果。

发明内容

本发明的目的在于解决上述背景技术中现有聚晶金刚石复合片在提升断裂韧性的同时不能兼顾耐磨性能等问题，而提供一种具有纤维独石仿生结构的聚晶金刚石复合片及其制备方法；本发明方法是利用纤维独石仿生结构既可诱导裂纹偏转、促使裂纹钝化、消耗断裂能，提高聚晶金刚石层的断裂韧性，又可保证聚晶金刚石层的强度和耐磨性，从而解决现有的聚晶金刚石复合片提升断裂韧性的同时不能兼顾耐磨性能的问题，最终提高聚晶金刚石复合片的使用寿命。

本发明之一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片，其组成成分及体积百分比如下：

聚晶金刚石层10％-20％，硬质合金80％-90％；

聚晶金刚石层厚度0.8-1.5mm，硬质合金基体厚度3-7mm；

所述的聚晶金刚石层的组成成分及体积百分比如下：

纤维胞体80-90％，界面层10-20％；

纤维胞体由纤维胞体原料加工制得，纤维胞体原料的组成成分及质量百分比如下：

金刚石90-94％，钴6-10％；

聚晶金刚石层为纤维独石仿生结构；

界面层是由界面层原料加工制得，界面层原料为WC-12Co硬质合金粉末；

所述硬质合金基体采用WC-16Co硬质合金材料；

金刚石为人造金刚石微粉。

本发明之一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：

一、分别将质量百分比为85.11％的纤维胞体原料、质量百分比为14.27％的乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)和质量百分比为0.62％的聚乙二醇单甲醚(MPEG-750)放入烧杯中混合，加入同体积的甲苯与磁力转子，置于IKAETS-D5型磁力搅拌机上，将烧杯口用锡纸密封，设置温度100-130℃，放置2-3h，加热后将混合物搅拌均匀，放置空气中23-25h，再将其放入DHG-903GA型真空干燥箱中，抽真空至约0.01MPa，升温130℃状态下放置1h，得到纤维胞体混料；

二、将质量百分比为95.34％的界面层原料、质量百分比为4.45％的EEA和质量百分比为0.21％的MPEG-750放入烧杯中混合，之后过程重复步骤一操作，得到界面层混料；

三、将步骤一制得的纤维胞体混料压制成圆柱坯体，然后与步骤二制得的界面层混料压制成的两个半圆形包裹体，并装配得到单纤维前体，利用共挤出模具挤出得到条状细纤维，将多个裁剪成相同长度的条状细纤维聚成一束后再经共挤出模具挤出得到多纤维体，将多个多纤维体排布并挤出所需尺寸的纤维独石结构初体；

四、将步骤三所得的纤维独石结构初体与硬质合金基体组装成型，得坯料，用铰链式6×1200MN型六面顶压机对所得坯料进行高温高压烧结，获得具有仿生结构的聚晶金刚石复合片，烧结工艺为：压力5.0-7.5GPa，温度1500-1650℃，保温保压时间为6-8min。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片及制备方法，聚晶金刚石复合片具有较高的耐磨性，界面层结构在聚晶金刚石层受力产生裂纹时，能使裂纹在扩展主方向上发生偏移并最终吸收掉断裂能量，使聚晶金刚石复合片获得极高的断裂韧性，从而在兼顾耐磨性的同时，极大提高聚晶金刚石复合片的断裂韧性。

附图说明

图1是本发明背景技术中现有聚晶金刚石复合片的剖面结构示意图；

图2是本发明的剖面结构示意图；

图3是本发明A处放大结构示意图；

图4是本发明纤维独石层的制备流程示意图；

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明之一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片，其组成成分及体积百分比如下：

聚晶金刚石层10％-20％，硬质合金80％-90％；

聚晶金刚石层1厚度0.8-1.5mm，硬质合金基体2厚度3-7mm；

所述的聚晶金刚石层1的组成成分及体积百分比如下：

纤维胞体80-90％，界面层10-20％；

纤维胞体3由纤维胞体原料加工制得，纤维胞体原料的组成成分及质量百分比如下：

金刚石90-94％，钴6-10％；

聚晶金刚石层1为纤维独石仿生结构；

界面层4是由界面层原料加工制得，界面层原料为WC-12Co硬质合金粉末；

所述硬质合金基体2采用WC-16Co硬质合金材料；

金刚石为人造金刚石微粉。

本发明之一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：

实施例1

一、首先对金刚石微粉进行预处理；选取粒度为10μm/20μm、20/30μm、30/40μm的金刚石微粉，其三种金刚石微粉的重量比为4：3：2，选取0.5-10μm粒度的钴粉，质量百分比金刚石94％，钴6％，然后用机械球磨混料机将二者混合24小时，得到纤维胞体原料；

二、将质量百分比为85.11％的纤维胞体原料、质量百分比14.27％的乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)和质量百分比0.62％的聚乙二醇单甲醚(MPEG-750)分别放入烧杯中混合，加入同体积的甲苯与磁力转子，置于IKA ETS-D5型磁力搅拌机上，将烧杯口用锡纸密封，设置温度130℃，放置2h，加热后将混合物搅拌均匀，放置空气中24h，再将其放入DHG-903GA型真空干燥箱中，抽真空至约0.01MPa，升温130℃状态下放置1h，得到纤维胞体混料；

三、将质量百分比为95.34％的界面层原料、质量百分比4.45％的EEA和质量百分比0.21％的MPEG-750放入烧杯中混合，重复操作步骤二，得到界面层混料；

四、分别利用压制模具将纤维胞体混料和界面层混料制成圆柱坯体和半圆形包裹体，将圆柱坯体与两个半圆形包裹体进行装配得到一个直径为30mm、长度为60mm的单纤维前体，其中圆柱坯体所占总体积分数为80％，两半圆包裹体所占总体积分数为20％，利用挤出模具共挤出得到一个直径为3mm的条状细纤维，条状细纤维裁剪长度为100mm，取数量为100，聚拢成一束后经同一挤出模具共挤出得到直径为3mm的多纤维体，进一步地将多个多纤维体排布并挤压成聚晶金刚石复合片加工所需尺寸的纤维独石结构初体，共挤出过程中均对模具进行加热，使挤出材料温度达到150℃左右；

五、将制得的纤维独石初体切制成厚度为1.2mm的薄片，放入钼杯，再把硬质合金基体2对好位后放在纤维独石初体之上压制成型得坯料，在真空炉中脱除成形剂，将脱除成形剂的坯料放入由叶蜡石和导电堵头组成的高压合成元件中，用铰链式6×1200MN型六面顶压机进行高温高压烧结，烧结工艺参数为：压力5GPa，温度1500℃，保温保压时间为6min；

六、将得到的金刚石复合片样品进行外圆和倒角等后处理，得到具有仿生结构的聚晶金刚石复合片成品。

实施例2

一、首先对金刚石微粉进行预处理；选取粒度为10μm/20μm、20/30μm、30/40μm的金刚石微粉，其三种金刚石微粉的重量比为4：3：2，选取0.5-10μm粒度的钴粉，质量百分比金刚石90％，钴10％；然后用机械球磨混料机将二者混合24小时，得到纤维胞体原料；

二、将质量百分比为85.11％的纤维胞体原料、质量百分比14.27％的乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)和质量百分比0.62％的聚乙二醇单甲醚(MPEG-750)放入烧杯中混合，加入同体积甲苯与磁力转子，置于IKA ETS-D5型磁力搅拌机上，将烧杯口用锡纸密封，设置温度130℃，放置2h，加热后将混合物搅拌均匀，放置空气中24h，再将其放入DHG-903GA型真空干燥箱中，抽真空至约0.01MPa，升温130℃状态下放置1h，得到纤维胞体混料；

三、将质量百分比为95.34％的界面层原料、质量百分比4.45％的EEA和质量百分比0.21％的MPEG-750放入烧杯中混合，重复操作步骤二中，得到界面层混料；

四、分别利用压制模具将纤维胞体混料和界面层混料制成圆柱坯体和半圆形包裹体，将圆柱坯体与两个半圆形包裹体进行装配得到一个直径为30mm、长度为60mm的单纤维前体，其中圆柱坯体所占总体积分数为90％，两半圆包裹体所占总体积分数为10％，利用挤出模具共挤出得到一个直径为3mm的条状细纤维，条状细纤维裁剪长度为100mm，取数量为100，聚拢成一束后经同一挤出模具共挤出得到直径为3mm的多纤维体，进一步地将多个多纤维体排布并挤压成聚晶金刚石复合片加工所需尺寸的纤维独石结构初体，共挤出过程中均对模具进行加热，使挤出材料温度达到150℃左右；

五、将制得的纤维独石初体切制成厚度为1.5mm薄片，放入钼杯，再把硬质合金基体2对好位后放在纤维独石初体之上压制成型得坯料，在真空炉中脱除成形剂，将脱除成形剂的坯料放入由叶蜡石和导电堵头组成的高压合成元件中，用铰链式6×1200MN型六面顶压机进行高温高压烧结，烧结工艺参数为：压力7.5GPa，温度1650℃，保温保压时间为8min；

六、将得到的金刚石复合片样品进行外圆和倒角等后处理，得到具有仿生结构的聚晶金刚石复合片成品。

Claims (2)

1.一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片，其组成成分及体积百分比如下：

聚晶金刚石层10％-20％，硬质合金80％-90％；

聚晶金刚石层(1)厚度0.8-1.5mm，硬质合金基体(2)厚度3-7mm；

所述的聚晶金刚石层(1)的组成成分及体积百分比如下：

纤维胞体80-90％，界面层10-20％；

纤维胞体(3)由纤维胞体原料加工制得，纤维胞体原料的组成成分及质量百分比如下：

金刚石90-94％，钴6-10％；

聚晶金刚石层(1)为纤维独石仿生结构；

界面层(4)是由界面层原料加工制得，界面层原料为WC-12Co硬质合金粉末；

所述硬质合金基体(2)采用WC-16Co硬质合金材料；

金刚石为人造金刚石微粉。

2.一种具有仿生结构的聚晶金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：

一、分别将质量百分比为85.11％的纤维胞体原料、质量百分比为14.27％的乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)和质量百分比为0.62％的聚乙二醇单甲醚(MPEG-750)放入烧杯中混合，加入同体积的甲苯与磁力转子，置于IKA ETS-D5型磁力搅拌机上，将烧杯口用锡纸密封，设置温度100-130℃，放置2-3h，加热后将混合物搅拌均匀，放置空气中23-25h，再将其放入DHG-903GA型真空干燥箱中，抽真空至约0.01MPa，升温130℃状态下放置1h，得到纤维胞体混料；

二、将质量百分比为95.34％的界面层原料、质量百分比为4.45％的EEA和质量百分比为0.21％的MPEG-750放入烧杯中混合，之后过程重复步骤一操作，得到界面层混料；

三、将步骤一制得的纤维胞体混料压制成圆柱坯体，然后与步骤二制得的界面层混料压制成的两个半圆形包裹体，并装配得到单纤维前体，利用共挤出模具挤出得到条状细纤维，将多个裁剪成相同长度的条状细纤维聚成一束后再经共挤出模具挤出得到多纤维体，将多个多纤维体排布并挤出所需尺寸的纤维独石结构初体；

四、将步骤三所得的纤维独石结构初体与硬质合金基体组装成型，得坯料，用铰链式6×1200MN型六面顶压机对所得坯料进行高温高压烧结，获得具有仿生结构的聚晶金刚石复合片，烧结工艺为：压力5.0-7.5GPa，温度1500-1650℃，保温保压时间为6-8min。