CN111850334B - 聚晶金刚石微粉的制备方法、聚晶金刚石微粉及应用 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种聚晶金刚石微粉的制备方法、聚晶金刚石微粉及应用，包括如下步骤：S1、均匀混料；S2、制得芯子；S3、芯子烧结，制得烧结体；S4、烧结体分离，S5、烧结层粉碎，从而产生具有纳米金刚石颗粒凸起粗糙表面的细粒度粉末；S6、细粒度粉末酸处理，制得纯粉末；S7、纯粉末清洁，制得用于生产金刚石复合片所需的聚晶金刚石微粉。本发明的有益效果主要体现在：将含有纳米金刚石颗粒的聚晶金刚石微粉作为原料制备聚晶金刚石复合片，结合了硬度和韧性的特性，且特性分布均匀，能满足PDC高硬度和高韧性性能，最大程度上延长使用寿命。

Description

聚晶金刚石微粉的制备方法、聚晶金刚石微粉及应用

技术领域

本发明涉及钻探和机加工领域，具体而言，尤其涉及一种聚晶金刚石微粉的制备方法、聚晶金刚石微粉及应用。

背景技术

通常，聚晶金刚石复合片（PDC）应用于钻头上，聚晶金刚石复合片（PDC）制造商通常会提供一些聚晶金刚石复合片PDC给钻头制造商。

PDC钻头制造商一直在寻求性能更好的PDC锯齿。当PDC钻头在进行钻井工作时，安装在钻头上的PDC锯齿与地层接触,并对其研磨和粉碎，如此，PDC锯齿将承受两种不同形式的损坏，（1）与地基摩擦产生的磨损；（2）PDC硬质层撞击硬质岩石或石头时产生的撞击损坏。

目前，市场上常见的聚晶金刚石复合片通常为图1结构，硬质合金基底100上依次烧结粗粒度金刚石颗粒101和细粒度金刚石颗粒102，但是细粒度金刚石颗粒的韧性显著较低，而粗粒度金刚石颗粒102的硬度较低，在硬度和韧性两者之间，往往顾此失彼，不能同时满足PDC高硬度和高韧性性能，严重影响PDC锯齿的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种聚晶金刚石微粉的制备方法、聚晶金刚石微粉及应用。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种聚晶金刚石微粉的制备方法，包括如下步骤：

S1、混料步骤：选取10~100nm的纳米金刚石颗粒和1~40um的微米金刚石颗粒，以0.3~5:100的重量比充分混合，得到混合颗粒3；

S2、制芯步骤：选择一难熔金属套筒，并在其内配置一组与其直径相同的难熔金属隔离片，相邻两个难熔金属隔离片之间形成一单片区，每个所述单片区内均设置一催化剂片，所述催化剂片的上方或下方倒入所述混合颗粒；将与难熔金属套筒直径相同的传压块紧贴放置在位于顶端和底端的所述难熔金属隔离片的外侧面上，制得芯子；

S3、烧结步骤：将步骤S2制得的芯子放置在HPHT装配块中，再将所述HPHT装配块整体放入至HPHT设备腔体内，在压力8~10Mpa温度1500~1700℃的环境下加工240~1000s，制得烧结体；

S4、烧结体分离步骤：将步骤S3制得的烧结体放至酸性溶液中，所述酸性溶液与所述烧结体的重量比为2~10：1，所述酸性溶液与所述难熔金属隔离片发生化学反应使得所述难熔金属隔离片脱离，从而制得烧结层；

S5、烧结层粉碎步骤：将烧结层在破碎设备中破碎，破碎后制得1~3mm的烧结层粉末，将烧结层粉末放入球磨机中，并加入酒精进行湿磨，待湿磨完成后将其取出烘干，待烘干完成后通过网筛筛选细粒度粉末，从而获得具有纳米金刚石颗粒凸起粗糙表面的细粒度粉末；

S6、细粒度粉末酸处理步骤：将所述细粒度粉末再放置至酸性溶液中，去除催化剂片和难熔金属隔离片的痕迹，制得纯粉末；

S7、纯粉末清洁步骤：将所述纯粉末分级为不同微米级颗粒，并进一步进行表面处理和清洁，制得用于生产金刚石复合片所需的聚晶金刚石微粉。

优选的，步骤S4和步骤S6中所述酸性溶液为硝酸、氢氟酸和硫酸的混合体，所述硫酸在混合体中的体积比大于30%，所述氢氟酸在混合体中的体积比大于20%。

优选的，所述催化剂片的材料为第VIII族金属或/和第VIII族金属的合金。

优选的，所述HPHT设备为六面顶压机或四面顶压机或两面顶压机。

优选的，所述传压块为淬火钢片或硬质合金片。

优选的，所述催化剂片的厚度与所述混合颗粒的厚度成正比，所述催化剂片的厚度为0.05~1mm，所述混合颗粒的厚度为0.2~2mm。

优选的，纳米金刚石颗粒和微米金刚石颗粒之间通过机械球磨法或原位生长法充分混合。

一种聚晶金刚石微粉，由上述任一所述的方法制得。

一种聚晶金刚石微粉的应用，包括如下步骤：

a、混料：将所述聚晶金刚石微粉与催化剂放入三维混料机进行混料，混合均匀后制得初步混合料；

b、烘干：将所述初步混合料放入粉末真空干燥箱中，在50~70℃温度下烘干12~36h，制得干燥混合料；

c、组装：将干燥混合料装入铌杯中，压平，在干燥混合料上面放入经无水乙醇洗净的硬质合金，在硬质合金上端盖上铌杯，压实，组合成一个复合件；将复合件置于合成组装块中，并放入至六面顶压机内，升温至500℃，压力4~4.5GPa，保温2min；

d、烧结，六面顶压机继续升温，在温度1400~2000℃、压力5~10GPa的条件下合成5~20min，形成金刚石复合片。

优选的，所述催化剂为Co或Fe或Ni或其混合物。

本发明的有益效果主要体现在：将纳米金刚石颗粒和微米金刚石颗粒混合后，制成芯子，进行烧结，使得纳米金刚石颗粒和微米金刚石颗粒形成sp3键；再将其破碎成细粒度粉末，在破碎时，原本微米金刚石颗粒之间通过纳米金刚石颗粒桥接体形成的结合会在桥接体处断裂，从而产生具有纳米金刚石颗粒凸起粗糙表面的细粒度粉末，再将细粒度粉末进行酸处理和清洁，制得含有纳米金刚石颗粒的聚晶金刚石微粉；将其作为原料制备聚晶金刚石复合片，结合了硬度和韧性的特性，且特性分布均匀，能满足PDC高硬度和高韧性性能，最大程度上延长使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：现有聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图2：本发明中混合颗粒的俯视图；

图3：本发明中混合颗粒的碳相图；

图4：本发明中芯子的分解前视图；

图5：本发明中烧结层粉碎后的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图5所示，本发明揭示了一种聚晶金刚石微粉的制备方法，包括如下步骤：

S1、混料步骤：选取10~100nm的纳米金刚石颗粒1和1~40um的微米金刚石颗粒2，以0.3~5:100的重量比充分混合，得到混合颗粒3。所述充分混合通常是采用机械球磨法，当然，亦可以用原位生长法，如溶胶-凝胶法、气相沉积法、化学溶液法，均属于本发明的保护范畴，在此不做过多赘述。上述中所述纳米金刚石颗粒1和微米金刚石颗粒2的重量比以0.3~5:100，采用该重量比是因为纳米金刚石颗粒1有一个非常大的表面积，需要大量的催化剂来帮助烧结，如果添加太多的纳米金刚石颗粒1，需要很高的操作压力，而现阶段仪器设备和条件的局限，导致烧结出得PDC质量不佳，而上述纳米金刚石颗粒1和微米金刚石颗粒2的重量比是根据技术人员的多次试验和理论计算而得出的。

S2、制芯步骤：选择一难熔金属套筒4，并在其内配置一组与其直径相同的难熔金属隔离片41，相邻两个难熔金属隔离片41之间形成一单片区，每个所述单片区内均设置一催化剂片42，所述催化剂片42的上方或下方倒入所述混合颗粒3。上述中，所述催化剂片的材料第VIII族金属或/和第VIII族金属的合金，所述催化剂片42的厚度与所述混合颗粒3的厚度成正比，所述催化剂片42的厚度为0.05~1mm，所述混合颗粒3的厚度为0.2~2mm。所述难熔金属隔离片41和难熔金属套筒4的材料为Ti或Zr或Mo或Nb或Ta。上述工序完成后，将与难熔金属套筒4直径相同的所述传压块43紧贴放置在位于顶端和底端的所述难熔金属隔离片41的外侧面上，制得芯子。

S3、烧结步骤：将步骤S2制得的芯子放置在HPHT装配块中，再将所述HPHT装配块整体放至在HPHT设备腔体内，在压力8~10Mpa温度1500~1700℃的环境下加工240~1000s，制得烧结体。其中，所述HPHT设备为六面顶压机或四面顶压机或两面顶压机，当然，亦可为其它烧结设备，均属于本发明的保护范畴。

在上述制备烧结体的过程中，催化剂片42融化流动并穿透纳米金刚石颗粒1和微米金刚石颗粒2之间的间隙，如图3所示，当纳米金刚石颗粒1和微米金刚石颗粒2达到稳定条件时，分布在微米金刚石颗粒2周围的纳米金刚石颗粒1与微米金刚石颗粒2形成SP3键，同时，微米金刚石颗粒2之间也会形成部分SP3键，形成类似于网格的连接结构，大大提升了耐磨性和抗冲击韧性。

S4、烧结体分离步骤：将步骤S3制得的烧结体放至酸性溶液中，所述酸性溶液与所述烧结体的重量比为2~10：1，在此范围内难熔金属会与酸性溶液发生反应，生成金属盐或金属配合物从而使粉末中没有金属残留，所述酸性溶液与所述难熔金属隔离片41发生化学反应，使得所述难熔金属隔离片41脱离，从而制得烧结层。

S5、烧结层粉碎步骤：将烧结层在破碎设备中破碎，所述破碎设备为冲击式粉碎机、剪切复合破碎机、挤压式破碎机其中一种或多种。待破碎后制得1~3mm的烧结层粉末，将烧结层粉末放入球磨机中，并加入酒精进行湿磨，待湿磨完成后将其取出烘干，待烘干完成后通过网筛筛选细粒度粉末，，网筛筛选出的大粒度粉末可重新放入球磨机中，并加入酒精进行湿磨，以制备出细粒度粉末，从而获得具有纳米金刚石颗粒1凸起粗糙表面11的细粒度粉末。

S6、细粒度粉末酸处理步骤：将所述细粒度粉末再放置至酸性溶液中，去除催化剂片42和难熔金属隔离片41的痕迹，制得纯粉末。

S7、纯粉末清洁步骤：将所述纯粉末分级为不同微米级颗粒，并进一步进行表面处理和清洁，制得用于生产金刚石复合片所需的聚晶金刚石微粉。

上述将纳米金刚石颗粒和微米金刚石颗粒混合后，制成芯子，进行烧结，使得纳米金刚石颗粒和微米金刚石颗粒形成sp3键。再将其破碎成细粒度粉末，在破碎时，原本微米金刚石颗粒之间通过纳米金刚石颗粒桥接体形成的结合会在桥接体处断裂，从而产生具有纳米金刚石颗粒凸起粗糙表面的细粒度粉末，再将细粒度粉末进行酸处理和清洁，制得含有纳米金刚石颗粒的聚晶金刚石微粉，再将其作为原料制备聚晶金刚石复合片，结合了硬度和韧性的特性，且特性分布均匀，能满足PDC高硬度和高韧性性能，最大程度上延长使用寿命。

本实施例中，所述酸性溶液为硝酸、氢氟酸和硫酸的混合体，所述硫酸在混合体中的体积比大于30%，所述氢氟酸在混合体中的体积比大于20%。

本发明揭示了一种金刚石微粉，该微粉由上述方法制备而得。

本发明还揭示了一种金刚石复合片的制备方法，包括如下步骤：

a、混料：将上述所述的聚晶金刚石微粉与催化剂放入三维混料机进行混料，混合均匀，制得初步混合料。

b、烘干：将所述初步混合料放入粉末真空干燥箱中，在50~70℃温度下烘干12~36h，制得干燥混合料。

c、组装：将干燥混合料装入铌杯中，压平，在干燥混合料上面放入经无水乙醇洗净的硬质合金，在硬质合金上端盖上铌杯，压实，组合成一个复合件。将复合件置于合成组装块中，并放入至六面顶压机内，升温至500℃，压力4~4.5GPa，保温2min。

d、烧结，六面顶压机继续升温，在温度1400~2000℃、压力5~10GPa的条件下合成5~20min，形成金刚石复合片。

所述催化剂为Co或Fe或Ni或其混合物。

将含有纳米金刚石颗粒的聚晶金刚石微粉作为原料制备聚晶金刚石复合片，含有纳米金刚石颗粒的聚晶金刚石微粉，结合了硬度和韧性的特性，且特性分布均匀，能满足PDC高硬度和高韧性性能，最大程度上延长使用寿命。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.聚晶金刚石微粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、混料步骤：选取10~100nm的纳米金刚石颗粒（1）和1~40um的微米金刚石颗粒（2），以0.3~5:100的重量比充分混合，得到混合颗粒（3）；

S2、制芯步骤：选择一难熔金属套筒（4），并在其内配置一组与其直径相同的难熔金属隔离片（41），相邻两个难熔金属隔离片（41）之间形成一单片区，每个所述单片区内均设置一催化剂片（42），所述催化剂片（42）的上方或下方倒入所述混合颗粒（3）；将与难熔金属套筒（4）直径相同的传压块（43）紧贴放置在位于顶端和底端的所述难熔金属隔离片（41）的外侧面上，制得芯子；

S3、烧结步骤：将步骤S2制得的芯子放置在HPHT装配块中，再将所述HPHT装配块整体放入至HPHT设备腔体内，在压力8~10Mpa温度1500~1700℃的环境下加工240~1000s，制得烧结体；

S4、烧结体分离步骤：将步骤S3制得的烧结体放至酸性溶液中，所述酸性溶液与所述烧结体的重量比为2~10：1，所述酸性溶液与所述难熔金属隔离片（41）发生化学反应使得所述难熔金属隔离片（41）脱离，从而制得烧结层；

S5、烧结层粉碎步骤：将烧结层在破碎设备中破碎，破碎后制得1~3mm的烧结层粉末，将烧结层粉末放入球磨机中，并加入酒精进行湿磨，待湿磨完成后将其取出烘干，待烘干完成后通过网筛筛选细粒度粉末，从而获得具有纳米金刚石颗粒（1）凸起粗糙表面（11）的细粒度粉末；

S6、细粒度粉末酸处理步骤：将所述细粒度粉末再放置至酸性溶液中，去除催化剂片（42）和难熔金属隔离片（41）的痕迹，制得纯粉末；

S7、纯粉末清洁步骤：将所述纯粉末分级为不同微米级颗粒，并进一步进行表面处理和清洁，制得用于生产金刚石复合片所需的聚晶金刚石微粉。

2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石微粉的制备方法，其特征在于：步骤S4和步骤S6中所述酸性溶液为硝酸、氢氟酸和硫酸的混合体，所述硫酸在混合体中的体积比大于30%，所述氢氟酸在混合体中的体积比大于20%。

3.根据权利要求1所述的聚晶金刚石微粉的制备方法，其特征在于：所述催化剂片的材料为第VIII族金属或/和第VIII族金属的合金。

4.根据权利要求1所述的聚晶金刚石微粉的制备方法，其特征在于：所述HPHT设备为六面顶压机或四面顶压机或两面顶压机。

5.根据权利要求1所述的聚晶金刚石微粉的制备方法，其特征在于：所述传压块（43）为淬火钢片或硬质合金片。

6.根据权利要求1所述的聚晶金刚石微粉的制备方法，其特征在于：所述催化剂片（42）的厚度与所述混合颗粒（3）的厚度成正比，所述催化剂片（42）的厚度为0.05~1mm，所述混合颗粒（3）的厚度为0.2~2mm。

7.根据权利要求1所述的聚晶金刚石微粉的制备方法，其特征在于：纳米金刚石颗粒（1）和微米金刚石颗粒（2）之间通过机械球磨法或原位生长法充分混合。

8.聚晶金刚石微粉，其特征在于，由权利要求1至7任一所述的方法制得。

9.根据权利要求8所述的聚晶金刚石微粉的应用，其特征在于，包括如下步骤：

a、混料：将所述聚晶金刚石微粉与催化剂放入三维混料机进行混料，混合均匀后制得初步混合料；

b、烘干：将所述初步混合料放入粉末真空干燥箱中，在50~70℃温度下烘干12~36h，制得干燥混合料；

c、组装：将干燥混合料装入铌杯中，压平，在干燥混合料上面放入经无水乙醇洗净的硬质合金，在硬质合金上端盖上铌杯，压实，组合成一个复合件；将复合件置于合成组装块中，并放入至六面顶压机内，升温至500℃，压力4~4.5GPa，保温2min；

d、烧结，六面顶压机继续升温，在温度1400~2000℃、压力5~10GPa的条件下合成5~20min，形成金刚石复合片。

10.根据权利要求9所述的聚晶金刚石微粉的应用，其特征在于：所述催化剂为Co或Fe或Ni或其混合物。

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