CN108147407A - 一种优化金刚石复合片及其原料优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化金刚石复合片及其原料优化方法，所述方法是将合成金刚石晶体或合成金刚石微粉进行高温或高温高压条件下的优化处理，再经后处理得到用于烧结优化金刚石复合片的优化金刚石微粉，所述高温或高温高压条件下的优化处理是在比金刚石合成或金刚石复合片烧结所需的温度更高的温度条件下进行的。所述优化金刚石复合片则采用上述原料优化方法制备得到的优化金刚石微粉与作为基体的硬质合金一起烧结得到。采用该优化的金刚石微粉制作的优化金刚石复合片与相同条件下制作的传统金刚石复合片相比，具有更高的耐磨性、抗冲击性以及耐高温性能，使用该优化金刚石复合片制作的产品的加工效率更高且寿命更长。

Description

一种优化金刚石复合片及其原料优化方法

技术领域

本发明属于硬质工具的技术领域，更具体地讲，涉及一种优化金刚石复合片及其原料优化方法。

背景技术

高温高压合成金刚石晶体主要由石墨和金刚石触媒(主要成分为铁、钴、镍、锰等元素周期表第八族金属或合金)在高温高压条件(5～6GPa，1200～1500℃)下转化而成。

低压气相沉积法(CVD，Chemical Vapor Deposition)合成金刚石晶体一般由甲烷等含碳气体通过常压或低压下的化学气相沉积法制作而成，包含微波等离子体，热丝法，直流电弧法等方法。CVD金刚石晶体的合成温度一般为800～1200℃。

高温高压或CVD合成金刚石晶体通过破碎、净化、分选等工艺流程可以制作成各种粒度的金刚石微粉。

传统的金刚石复合片一般由碳化钨硬质合金(碳化钨微粉和金属钴的烧结体)基体和高温高压合成金刚石微粉在高温高压(5～7GPa，1300～1500℃)条件下烧结而成。金刚石复合片广泛地应用于机械加工用刀具、石油/地质钻探用钻齿、拉丝模等方面。

金刚石复合片的耐磨性、抗冲击性能、耐高温性能是最重要的技术指标，直接决定了其使用效果及使用寿命。金刚石复合片的整体性能取决于烧结温度压力及烧结时间、金刚石微粉的质量及粒度、金刚石层内部金属触媒的含量、硬质合金基体的性能、金刚石层和硬质合金基体之间的接合面结构等众多因素。

由于金刚石是碳的高压相，其在常压下属于亚稳定状态，在足够高温下会转变为石墨。由于金刚石复合片中的金刚石微粉的间隙中充满了金属触媒钴作为结合剂，金属触媒的存在会影响金刚石复合片的耐高温性能：第一，由于金属触媒的热膨胀系数比金刚石高，400度以上的高温下金属触媒的高膨胀率容易在金刚石复合片内部产生裂纹；第二，由于金属触媒的存在，在700度以上的高温下容易发生金刚石到石墨的转化。

美国发明专利(US4224380)公开了一种金刚石复合片脱钴的方法，通过酸处理等方法完全去除烧结金刚石层内部的金属钴或其它金属触媒，可以制作热稳定金刚石烧结体(TSP)，其耐高温性可以达到1200度。但是，热稳定金刚石烧结体(TSP)的抗冲击性一般比未脱钴的金刚石复合片相比有明显下降，限制了其使用领域。

美国发明专利(US6544308，US6592985等)公开了一种金刚石复合片部分脱钴的方法，通过酸处理等方法去除金刚石层工作表层部分的金属钴，从而在保持金刚石复合片整体抗冲击性能基本不下降的前提下，提高了复合片的耐高温性能。

以上方法虽然可以去除金刚石微粉之间的金属钴或其它金属触媒，但是由于高温高压合成金刚石微粉的内部仍然含有金属触媒作为包裹体，以上方法不能去除高温高压合成金刚石微粉内部的金属触媒包裹体。同样，高温高压合成金刚石微粉内部的金属触媒包裹体的存在会影响金刚石复合片的耐高温性能：第一，由于金属触媒的热膨胀系数比金刚石高，在400度以上的高温下，金属触媒的高膨胀率有可能在金刚石内部产生裂纹；第二，由于金属触媒的存在，在700度以上的高温下，金刚石容易转化为石墨。

虽然CVD合成金刚石晶体内部不含有金属触媒，但是CVD合成金刚石晶体内部一般含有大量的残留应力，体现在其颜色大部分为茶色、棕色或咖啡色，并且很易脆。同样，高温高压合成金刚石晶体内部也含有大量残留应力。合成金刚石晶体及合成金刚石微粉内部的残留应力会影响金刚石复合片的抗冲击性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的第一个目的是提供一种能够有效去除高温高压金刚石微粉内部的金属触媒得到更纯净的金刚石微粉原料的优化方法，并继而利用该优化原料烧结得到更优的金刚石复合片。

本发明的第二个目的是提供一种能够去除高温高压合成金刚石微粉或CVD合成金刚石微粉内部的残留应力得到韧性更强的金刚石微粉原料的优化方法，并继而利用该优化原料烧结得到更优的金刚石复合片。

本发明的一方面提供了一种优化金刚石复合片的原料优化方法，其特征在于，将合成金刚石晶体或合成金刚石微粉进行高温或高温高压条件下的优化处理，再经后处理得到用于烧结优化金刚石复合片的优化金刚石微粉，其中，所述高温或高温高压条件下的优化处理是在比金刚石合成或金刚石复合片烧结所需的温度更高的温度条件下进行的。

作为优选实施例，所述优化处理的压力范围为0～10GPa、温度范围为1600～2900℃，所述优化处理的处理时间为1～60min。

作为优选实施例，所述后处理包括破碎、净化、分选和酸处理，其中，在直接采用合成金刚石微粉进行优化处理后省略所述破碎、净化和分选的步骤。

作为优选实施例，所述合成金刚石晶体为I型合成金刚石、II型合成金刚石或I型合成金刚石与II型合成金刚石的混合体。

作为优选实施例，所述合成金刚石晶体为高温高压合成金刚石、CVD合成金刚石或高温高压合成金刚石与CVD合成金刚石的混合体。

作为优选实施例，所述合成金刚石微粉是由合成金刚石晶体破碎得到的，所述合成金刚石微粉为微米金刚石粉、纳米金刚石粉或微米金刚石粉与纳米金刚石粉的混合粉。

本发明的另一方面提供了一种优化金刚石复合片，采用上述原料优化方法制备得到的优化金刚石微粉与作为基体的硬质合金一起烧结得到。

作为优选实施例，所述优化金刚石复合片包括硬质合金基体和金刚石层，其中，所述硬质合金基体与金刚石层之间的接合面为平面或非平面。

作为优选实施例，所述金刚石层可为单层结构或多层结构，所述硬质合金基体可为单层结构或多层结构。

作为优选实施例，所述优化金刚石复合片的形状为圆柱形、球形、半球形、锥形或尖形。

作为优选实施例，所述优化金刚石复合片的工作面为未脱钴，部分脱钴或全面脱钴。

与现有技术相比，本发明将合成金刚石晶体或微粉在比金刚石合成或金刚石复合片烧结需要的条件更高的高温或高温高压条件下进行优化处理得到内部完全不含有金属触媒或者内部金属触媒大大减少的金刚石微粉，同时得到内部残留应力完全去除或大大降低的金刚石微粉，采用该优化的金刚石微粉制作的优化金刚石复合片与相同条件下制作的传统金刚石复合片相比，具有更高的耐磨性、抗冲击性以及耐高温性能，使用该优化金刚石复合片制作的产品的加工效率更高且寿命更长。

附图说明

图1示出了金刚石复合片的宏观结构示意图。

图2a示出了传统金刚石复合片的制作流程，图2b示出了传统金刚石复合片的微观结构示意图，图2c示出了脱钴后的传统金刚石复合片的微观结构示意图。

图3示出了根据本发明的优化金刚石复合片的制作流程。

图4a示出了根据本发明的优化金刚石复合片的微观结构示意图，图4b示出了根据本发明脱钴后的优化金刚石复合片的微观结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面将对本发明的优化金刚石复合片及其原料优化方法进行详细地说明。

根据本发明的示例性实施例，所述优化金刚石复合片的原料优化方法具体为：将合成金刚石晶体或合成金刚石微粉进行高温或高温高压条件下的优化处理，再经后处理得到用于烧结优化金刚石复合片的优化金刚石微粉，其中，该高温或高温高压条件下的优化处理是在比金刚石合成或金刚石复合片烧结所需的温度更高的温度条件下进行的。对于压力条件，优化处理的压力条件可以是低压或者高压，高压条件可以防止金刚石石墨化(压力越高越不容易石墨化)；对于温度条件，需保证在比金刚石合成或金刚石复合片烧结所需的温度更高的温度条件下进行优化处理，例如1600度以上的高温条件，优化处理的温度越高，优化处理的效果更好。

采用上述方法时，既可以直接以由合成金刚石晶体破碎得到的合成金刚石微粉进行优化处理得到优化金刚石微粉，也可以将合成金刚石晶体进行优化处理后再制作成微粉得到优化金刚石微粉，但是将合成金刚石晶体先处理得到金刚石微粉后再进行上述优化处理会更佳更有利于去除金刚石内部的金属触媒，得到更纯净的金刚石微粉。同时，将合成金刚石晶体先处理得到金刚石微粉后再进行上述优化处理会更佳更有利于去除金刚石内部的残留应力。

本发明采用的合成金刚石晶体可以为I型合成金刚石、II型合成金刚石或I型合成金刚石与II型合成金刚石的混合体；采用的合成金刚石晶体可以为高温高压合成金刚石、CVD合成金刚石或高温高压合成金刚石与CVD合成金刚石的混合体；采用的合成金刚石微粉可以为微米金刚石粉、纳米金刚石粉或微米金刚石粉与纳米金刚石粉的混合粉，也可以为不同粒度的复配。

优选地，本发明优化处理的压力范围为0～10GPa、温度范围为1600～2900℃且处理时间为1～60min。

经优化处理后的优化金刚石微粉比普通金刚石微粉具有更优异的性质：第一，在优化过程中，有意让高温高压合成金刚石微粉内部的金属触媒发生膨胀，从而在晶体内部产生裂纹并让金属触媒暴露出来，继而可以通过酸处理等方法去除金属触媒，这样可以得到内部完全不含有金属触媒或内部金属触媒大大减少的金刚石微粉；第二，上述优化本身就包含高温退火的过程，通过高温退火可以消除金刚石晶体内部的残留应力，增加金刚石晶体本身的强度和韧性，提高其抗冲击性能。

在对原料进行优化处理之后还需进行后处理才能获得符合要求的优化金刚石微粉。其中，后处理可以包括破碎、净化、分选和酸处理的步骤。当初始原料为金刚石晶体时，优化处理之后得到的还是金刚石晶体，故还需对其进行破碎、净化和分选处理，再经酸处理得到优化金刚石微粉；当初始原料为金刚石微粉时，则可以在优化处理之后省略掉破碎、净化和分选的步骤，直接进行酸处理即可得到优化金刚石微粉。本发明所采用的酸处理可以是在盐酸、硝酸等酸液中浸泡或煮沸后清洗、烘干的处理，酸处理时间为30～60min。

采用本发明的原料优化方法制备得到优化金刚石微粉之后即可用于制备优化金刚石复合片。

图1示出了金刚石复合片的宏观结构示意图，图2a示出了传统金刚石复合片的制作流程，图2b示出了传统金刚石复合片的微观结构示意图，图2a示出了脱钴后的传统金刚石复合片的微观结构示意图。

如图1至图2a所示，金刚石复合片通常包括烧结的金刚石层21和硬质合金基体22，在进行传统金刚石复合片制作时，先将高温高压合成金刚石晶体制作成金刚石微粉，再将金刚石微粉和硬质合金基体在高温高压条件下烧结制作成金刚石复合片。如图2b所示，所制得的传统金刚石复合片中包括金刚石微粉31、金刚石微粉内部的金属触媒包裹体32以及微粉间隙处的金属触媒33，由于其中金刚石微粉内部及微粉间隙处都含有金属触媒，因此所制得的金刚石复合片的耐高温性能和力学性能均较差。如图2c所示，酸处理脱钴后的传统金刚石复合片中包括金刚石微粉41和金刚石微粉内部的金属触媒包裹体42。虽然金刚石微粉间隙处不含有金属触媒，但是金刚石微粉内部仍然含有的金属触媒会影响其耐高温性能和力学性能。

图3示出了根据本发明的优化金刚石复合片的制作流程，图4a示出了根据本发明的优化金刚石复合片的微观结构示意图，图4b示出了根据本发明脱钴后的优化金刚石复合片的微观结构示意图。

如图3所示，本发明可以先将合成金刚石晶体进行优化处理制作成优化金刚石微粉，也可以直接将合成金刚石微粉进行优化处理得到优化金刚石微粉，再将所得优化金刚石微粉与硬质合金基体在高温高压条件下烧结制作成优化金刚石复合片。如图4a所示，优化金刚石复合片包括优化金刚石微粉51和微粉间隙处的金属触媒52，由于优化金刚石微粉内部不含金属触媒，只有微粉间隙处含有金属触媒，其耐高温性能和力学性能较传统金刚石复合片有较大提高。如图4b所示，酸处理脱钴后的优化金刚石复合片中仅包括优化金刚石微粉61，金刚石微粉内部及微粉间隙处都不含金属触媒，其耐高温性能和力学性能最佳。

根据本发明，所制得的优化金刚石复合片也包括硬质合金基体和金刚石层，其中硬质合金基体与金刚石层之间的接合面可以为平面或非平面等各种设计；金刚石层可以为多种粒度、多种钴含量构成的多层结构，硬质合金基体也可以为多种粒度、多种钴含量构成的多层结构；优化金刚石复合片的形状可以为圆柱形、球形、半球形、锥形或尖形等各种形状；优化金刚石复合片的工作面可以为未脱钴、部分脱钴或全面脱钴等各种脱钴形状和深度。

下面结合具体实施例对本发明的优化金刚石复合片及其原料优化方法作进一步说明。

实施例1：

将粒度为20～30微米、5～9微米、1～3微米的高温高压合成金刚石微粉按照重量比70％、15％、15％的比例均匀混合。将上述混合微粉置于高温高压腔体内，在压力6.5GPa、温度2300℃的高温高压条件下优化处理20分钟。

回收优化处理后的微粉，在盐酸/硝酸中煮沸30分钟并清洗烘干。使用得到的该优化金刚石微粉作为原料，以碳化钨硬质合金(含15％钴)作为基体，在6GPa、1400℃的高温高压条件下烧结制作成为直径为16毫米、金刚石层厚度为2毫米、金刚石加硬质合金总高度为13毫米的优化金刚石复合片。

同时，采用以上相同粒度配比、相同重量配比的未优化高温高压金刚石微粉以及相同的硬质合金基体，在相同的高温高压条件下烧结成相同尺寸的未优化金刚石复合片，然后与上述优化金刚石复合片对比测试其耐磨性，抗冲击性，及耐高温性能。

其中，检测金刚石复合片的耐磨性的一种方法是通过花岗岩加工时花岗岩的磨损量和金刚石的磨损量的比值来测定，包含加冷却液的湿式和不加冷却液的干式加工两种方式。干式加工条件下，优化金刚石复合片的工作表面温度可达到800℃以上，所以干式耐磨性数据反映了金刚石复合片的耐高温性能。

检测金刚石复合片的抗冲击性的一种方法是通过自由落体重锤冲击金刚石复合片后复合片产生裂纹或破损时的冲击能量来测定。

表1相同测试条件未优化金刚石复合片和优化金刚石复合片的性能测试数据

表1是本实施例相同测试条件下未优化金刚石复合片和优化金刚石复合片的湿式耐磨性、干式耐磨性、抗冲击性的测量数据。未优化(非脱钴)金刚石复合片的湿式耐磨性为288万、干式耐磨性为145万，其干式耐磨性仅为湿式耐磨性的50％，反映了其耐高温性能较差。部分脱钴后的未优化金刚石复合片的湿式耐磨性为625万、干式耐磨性为450万，较脱钴前有显著提高，并且其干式耐磨性为湿式耐磨性的72％，反映了其耐高温性较脱钴前有明显提高。

优化(非脱钴)金刚石复合片的湿式耐磨性为403万、干式耐磨性为220万，与未优化(非脱钴)金刚石复合片比较，分别提高了40％、52％。脱钴后的优化金刚石复合片的湿式耐磨性为832万、干式耐磨性为650万，与脱钴后的未优化金刚石复合片比较，分别提高了33％、44％。以上数据表明，优化金刚石复合片的耐磨性及耐高温性与未优化金刚石复合片相比都有明显提高。

未优化金刚石复合片脱钴前的抗冲击能量为45焦耳，脱钴后的抗冲击能量为43焦耳。优化金刚石复合片脱钴前的抗冲击能量为59焦耳，脱钴后的抗冲击能量为56焦耳。与未优化金刚石复合片相比，优化金刚石复合片的抗冲击性提高了约30％。

实施例2：

将CVD合成金刚石晶体制作成10～20微米、2～4微米两种粒度的金刚石微粉，按照重量比80％、20％的比例均匀混合。将上述混合微粉置于高温高压腔体内，在压力6.5GPa、温度2400℃的高温高压条件下优化处理30分钟。

使用得到的该优化金刚石微粉作为原料，以碳化钨硬质合金(含5％钴)作为基体，在6.5GPa、1450℃的高温高压条件下制作成直径为25毫米，金刚石层厚度为1毫米的优化金刚石复合片。

采用以上相同粒度配比、相同重量配比的未优化CVD金刚石微粉以及相同的硬质合金基体，在相同的高温高压条件下烧结成相同尺寸的未优化金刚石复合片，然后与优化金刚石复合片对比测试其耐磨性、抗冲击性及耐高温性能。

表2相同测试条件未优化金刚石复合片和优化金刚石复合片的性能测试数据

表2是本实施例相同测试条件下未优化金刚石复合片和优化金刚石复合片的湿式耐磨性、干式耐磨性和抗冲击性的测量数据。未优化(非脱钴)金刚石复合片的湿式耐磨性为580万、干式耐磨性为420万。脱钴后的未优化金刚石复合片的湿式耐磨性为1070万、干式耐磨性为870万，较脱钴前有显著提高。并且，其干式耐磨性为湿式耐磨性的81％，反映了其耐高温性较脱钴前有明显提高。

优化(非脱钴)金刚石复合片的湿式耐磨性为640万、干式耐磨性为560万，与未优化(非脱钴)金刚石复合片比较，分别提高了10％、33％。脱钴后的优化金刚石复合片的湿式耐磨性为1210万、干式耐磨性为980万，与脱钴后的未优化金刚石复合片比较，提高了约13％。以上数据表明，优化金刚石复合片的耐磨性及耐高温性与未优化金刚石复合片相比都有明显提高。

未优化金刚石复合片脱钴前的抗冲击能量为35焦耳，脱钴后的抗冲击能量为33焦耳。优化金刚石复合片脱钴前的抗冲击能量为63焦耳，脱钴后的抗冲击能量为60焦耳。与未优化金刚石复合片相比，优化金刚石复合片的抗冲击性提高了约80％。

综上所述，采用本发明优化方法优化得到的原料制备得到的优化金刚石复合片具有相对于传统金刚石复合片而言显著提升的耐磨性、抗冲击性以及耐高温性能，该优化金刚石复合片制作的产品性能更优异且寿命更长。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种优化金刚石复合片的原料优化方法，其特征在于，将合成金刚石晶体或合成金刚石微粉进行高温或高温高压条件下的优化处理，再经后处理得到用于烧结优化金刚石复合片的优化金刚石微粉，其中，所述高温或高温高压条件下的优化处理是在比金刚石合成或金刚石复合片烧结所需的温度更高的温度条件下进行的。

2.根据权利要求1所述优化金刚石复合片的原料优化方法，其特征在于，所述优化处理的压力范围为0～10GPa、温度范围为1600～2900℃，所述优化处理的处理时间为1～60min。

3.根据权利要求1所述优化金刚石复合片的原料优化方法，其特征在于，所述后处理包括破碎、净化、分选和酸处理，其中，在直接采用合成金刚石微粉进行优化处理后省略所述破碎、净化和分选的步骤。

4.根据权利要求1所述优化金刚石复合片的原料优化方法，其特征在于，所述合成金刚石晶体为I型合成金刚石、II型合成金刚石或I型合成金刚石与II型合成金刚石的混合体。

5.根据权利要求1所述优化金刚石复合片的原料优化方法，其特征在于，所述合成金刚石晶体为高温高压合成金刚石、低压气相沉积法合成金刚石或高温高压合成金刚石与低压气相沉积法合成金刚石的混合体。

6.根据权利要求1所述优化金刚石复合片的原料优化方法，其特征在于，所述合成金刚石微粉是由合成金刚石晶体破碎得到的，所述合成金刚石微粉为微米金刚石粉、纳米金刚石粉或微米金刚石粉与纳米金刚石粉的混合粉。

7.一种优化金刚石复合片，其特征在于，采用权利要求1至6中任一项所述原料优化方法制备得到的优化金刚石微粉与作为基体的硬质合金一起烧结得到。

8.根据权利要求7所述的优化金刚石复合片，其特征在于，所述优化金刚石复合片包括硬质合金基体和金刚石层，其中，所述硬质合金基体与金刚石层之间的接合面为平面或非平面。

9.根据权利要求7所述的优化金刚石复合片，其特征在于，所述金刚石层为单层结构或多层结构，所述硬质合金基体为单层结构或多层结构；所述优化金刚石复合片的形状为圆柱形、球形、半球形、锥形或尖形。

10.根据权利要求7所述的优化金刚石复合片，其特征在于，所述优化金刚石复合片的金刚石层为非脱钴、部分脱钴或全面脱钴。