CN112647852A

CN112647852A - 一种聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料及其应用

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Publication number: CN112647852A
Application number: CN202011558492.8A
Authority: CN
Inventors: 曹经钦; 陆庆忠; 程在望
Original assignee: Wuhan Xinrui Alloy Tools Co ltd
Current assignee: Wuhan Xinrui Alloy Tools Co ltd
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: CN112647852B

Abstract

本发明涉及一种聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料及其应用，由WC相、Co相以及均匀分布的孔隙结构组成。在硬质合金基体材料中，WC所占重量百分比为84％～95％，Co所占重量百分比为5％～16％，硬质合金基体材料的总碳重量百分比为5.00％～5.90％，磁饱和为120～160emu/g；硬质合金基体材料中含均匀分布的孔隙结构，均匀孔隙结构占基体材料总体积的1％～27％，孔隙尺寸不超过25μm。该合金基体材料在高压高温条件下合成PCD复合片时，合金基体材料具有一定的线收缩率，聚晶层和合金基体同时收缩，可减小PCD复合片的应力，提高成品率和复合片的品质。

Description

一种聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料及其应用

技术领域

本发明涉及一种WC-Co硬质合金材料，尤其涉及一种聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料及其应用，应用于聚晶金刚石复合片的石油、矿山开采行业以及超硬切削刀具行业，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

目前，耐磨超硬复合材料，如聚晶金刚石(PCD，polycrystalline diamond)复合片、聚晶立方氮化硼(PCBN，polycrystalline Cubic Boron Nitride)复合片广泛用于各种机械和工具领域中，如石油开采钻具、矿山开采钻具、机加工或切削刀具、轴承装置、拉丝模具等。

PCD复合片通常包括双层或多层结构，上层为聚晶金刚石层，简称聚晶层，下层为硬质合金基体。一般通过如下方式来制造PCD复合片：

耐高温金属杯内装有大量金刚石微粉颗粒，将硬质合金基体放入金属杯内与金刚石颗粒接触、压紧、密封；将若干这种密封的金属杯组件再次与各种传压、传热、导电介质完成封装，装载到两面顶压机或六面顶压机中，在压力5.0～10.0GPa，温度1300～1800℃下合成聚晶金刚石(PCD)复合片，该过程称之为合成。在高压高温(HPHT)合成期间，硬质合金基体中的Co相产生液相，从邻近金刚石颗粒的区域迁移到金刚石颗粒之间的间隙区域中。钴充当催化剂从而促进金刚石颗粒之间的交互生长和键合，最终金刚石微粉颗粒形成聚晶金刚石，并与下层的硬质合金基体结合。

由于聚晶层和硬质合金基体之间的热膨胀系数、弹性模量以及合成过程中的收缩率不同，合成时聚晶层的体积收缩率远大于硬质合金基体，因此在聚晶层和硬质合金基体的不同区域内可能产生不同大小的残余应力。在冷却和从HPHT过程释放压力之后，这种残余应力可残留在聚晶层和硬质合金基底中。这些复杂应力会集中在聚晶层/基底界面附近。当聚晶层和硬质合金基底之间界面处的残余应力过大，超出复合片的承受能力，可导致PDC在冷却时或随后的使用期间，在热应力和外力作用下过早失效，主要失效形式有脱层、裂纹、变形等。

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复合片用硬质合金基体材料及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料，特点是：该硬质合金基体材料是一种由WC相、Co相以及均匀分布的孔隙结构组成的合金，在所述硬质合金基体材料中，WC所占重量百分比为84％～95％，Co所占重量百分比为5％～16％；所述硬质合金基体材料中含均匀孔隙结构，均匀孔隙结构占基体材料总体积的1％～27％，孔隙尺寸不超过25μm；所述硬质合金基体材料的总碳重量百分比为5.00％～5.90％，磁饱和为120～160emu/g。

进一步地，上述的聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料，其中，所述硬质合金基体材料中包含晶粒抑制剂，Co所占重量百分比为5％～16％，WC所占重量百分比为82％～95％，晶粒抑制剂所占重量百分比为0.1％～2％，所述晶粒抑制剂为TaC、VC、Cr₃C₂、NbC中至少一种。

进一步地，上述的聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料，其中，所述硬质合金基体材料包括Fe和/或Ni以取代部分或全部的Co；所述硬质合金基体材料也包括TiC或TiN或Ti(C,N)以取代部分或全部的WC。

本发明聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料的应用，包括以下步骤：

1)、微粉处理：将金刚石微粉进行净化处理；

2)、合金处理：对硬质合金基体材料进行清洁处理；

3)、装杯：称取需要重量的金刚石微粉放入难熔金属杯中平铺均匀，再放入硬质合金基体材料压紧，再用难熔金属杯从底部反扣并完成密封；

4)、封装：将密封的金属杯组件与传压、传热、导电介质完成封装；

5)、合成：将封装后的块体放入两面顶压机或六面顶压机中，在压力5.0～10.0GPa，温度1300～1800℃下，保温15～30分钟，合成超硬复合材料聚晶金刚石PCD。

更进一步地，上述的聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料的应用，其中，硬质合金基体材料合成聚晶金刚石PCD时，合金基体材料的线收缩率为0.5％～10.0％。

更进一步地，上述的聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料的应用，其中，难熔金属杯材质为Zr、Ti或Mo。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

由于合金基体材料保留一定比例的均匀孔隙结构，在HPHT条件下合成时，上层的聚晶层和下层合金同时收缩，从而减小应力，减少因应力过大引起的脱层、开裂、变形等现象，提高成品率和复合片的品质，进而显著提高复合片的使用寿命，带来较好的经济效益；

硬质合金基体材料在高压高温条件下合成PCD复合片时，由于聚晶层和合金基体同时收缩，可减小PCD复合片的应力，提高成品率和复合片的品质，延长PCD复合片的使用寿命。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1：实施例4制得的带均匀孔隙结构的硬质合金基体在金相显微镜下的金相图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。

本发明提供一种聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料，基体材料含一定比例的均匀分布的孔隙结构，在高温高压合成复合片时，具有一定的的线收缩率，合金达到完全致密。用于聚晶金刚石复合片，在合金强度足够的前提下高温高压合成，合成时合金基体中的均匀孔隙结构闭合，合金基体和聚晶层同时收缩，可解决高温高压合成时PCD因应力过大失效的问题。

硬质合金基体材料由WC相、Co相以及均匀分布的孔隙结构组成，该合金基体可在高温高压合成复合片时具有一定的线收缩率；WC所占重量百分比为84％～95％，Co重量百分比为5％～16％；合金的总碳重量百分比为5.00％～5.90％，磁饱和为120～160emu/g。合金基体材料含体积百分比为1％～27％的均匀孔隙结构，孔隙尺寸不超过25μm，在高温高压合成复合片时具有一定的线收缩率为0.5％～10，合金达到完全致密。

本发明设计原理是：通常来说，WC-Co硬质合金的正常组织为WC相和Co相两相组成，合金通过烧结达到致密，不允许有孔隙，按GB/T 3489或ISO4505标准，孔隙率评级达到A00B00或A02B00。合金中有孔隙时，合金的抗弯强度会显著下降。

合金在压制后，软坯存在较多的孔隙，在烧结时的不同温度阶段，由于Co软化产生塑性变形，以及液相钴的流动填充，同时在外在烧结炉压力的作用下，合金体积逐步收缩，孔隙逐渐减小和闭合，合金达到致密。合金中孔隙的闭合速度以及孔隙率受最高烧结温度、保温时间、烧结炉压力以及合金碳含量的影响。其中最高烧结温度、保温时间和合金碳含量影响液相Co钴出现时间和液相量，烧结炉压力影响孔隙闭合速度。

通过计算设计烧结工艺，使合金仍保留一定的孔隙率，同时具有一定的强度，不至于在合成高压条件下被压溃。在高温高压条件合成PCD复合片时，上层金刚石微粉颗粒存在间隙，在形成金刚石聚晶时，体积会收缩变小。

下层合金基体在使用传统的合金时，由于合金已经致密，体积基本不再收缩。因此，由于合成时聚晶层和硬质合金基体之间收缩率不同，以及两种材料的热膨胀系数、弹性模量不同，在聚晶层与硬质合金基体界面会产生残余应力。在冷却和从HPHT过程释放压力之后，这种残余应力可残留在聚晶层和硬质合金基底中。这些复杂应力会集中在聚晶层/基底界面附近，可导致PDC在冷却时或在随后的使用期间，在热应力和外力作用下过早失效。

本发明由于合金保留一定的孔隙，孔隙所占体积百分比可以通过设计和计算来控制，既可以保证合金的强度足够，不至于在高压高温合成时被压溃，同时又能保证合成后复合片的线收缩率和尺寸。在HPHT条件下合成时，上层的聚晶层和下层合金同时收缩，从而减小应力，减少因应力过大引起的脱层、开裂、变形等现象，进而提高复合片的性能和使用寿命，带来较好的经济效益。

聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料的应用，包括以下步骤：

1)、微粉处理：将金刚石微粉进行净化处理；

2)、合金处理：对硬质合金基体材料进行清洁处理；

3)、装杯：称取需要重量的金刚石微粉放入难熔金属杯中平铺均匀，再放入硬质合金基体材料压紧，再用难熔金属杯从底部反扣并完成密封；难熔金属杯材质为Zr、Ti或Mo。

5)、合成：将封装后的块体放入两面顶压机或六面顶压机中，在压力5.0～10.0GPa，温度1300～1800℃下，保温15～30分钟，合成超硬复合材料聚晶金刚石PCD。硬质合金基体材料在高温高压条件下合成复合片时，合金基体材料具有0.5％～10.0％的线收缩率。

硬质合金基体材料用于聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石复合齿以及其他各种聚晶层为非平面的聚晶金刚石产品，还可以用于聚晶立方氮化硼复合片、复合齿以及各种非平面的聚晶立方氮化硼产品。

超硬复合材料通常为双层或多层结构(含过渡层)，上层称为聚晶层，下层为硬质合金基体，根据上层(聚晶层)材料区分，主要包括两大类：聚晶金刚石(PCD，polycrystalline diamond)、聚晶立方氮化硼(PCBN，polycrystalline Cubic BoronNitride)，每类根据产品形状和用途，又分为复合片(聚晶层为平面)、复合齿(聚晶层为球形、锥形等)、其他非平面结构(如加工成三棱形状等各种特殊形状)。

在上述条件下高压高温(HPHT)合成期间，硬质合金基体中的Co相产生液相，迁移到微粉颗粒之间的间隙区域中。

对于合成PCD：钴充当催化剂促进金刚石颗粒之间的交互生长和键合，最终金刚石微粉颗粒形成聚晶金刚石，并与下层的硬质合金基体结合。

实施例1：一种聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料

该硬质合金基体材料由WC相、Co相组成，烧结后，合金含均匀分布的孔隙结构；硬质合金基体材料中，Co所占比例为6％，WC所占重量百分比为94％，WC的晶粒度为2.50μm；硬质合金基体材料的总碳重量百分比为5.77％，磁饱和为145emu/g。该合金中均匀孔隙结构体积百分比为0.9％～1.1％。具体做法为：

将碳含量为6.14％，粒度为2.50μm的WC粉，粒度为1.2μm的Co粉，以及粒度为1.0μm的W粉，配制成钴含量为6％，总碳含量为5.77％的混合粉末。湿磨后压制成直径为19mm，高度为26mm的合金软坯。软坯在全真空状态下烧结，最高烧结温度1330℃，保温时间45分钟。检测磁饱和值为145emu/g。合金中均匀孔隙结构体积百分比为0.9％～1.1％，金相显微镜下观察到孔隙结构均匀分布，最大孔隙尺寸不超过10μm。

使用此合金在高温高压下合成PCD复合片，合金基体材料的线收缩率为0.5％～0.6％，合金达到完全致密。聚晶层和合金基体界面结合良好，复合片在下游使用时，使用寿命平均提高18％。

实施例2：一种聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料

该硬质合金基体材料由WC相、Co相组成，烧结后，合金带有均匀分布的孔隙结构；硬质合金基体材料中，Co所占比例为16％，WC所占重量百分比为84％，WC的晶粒度为2.10μm；硬质合金基体材料的总碳重量百分比为5.12％，磁饱和为148emu/g。该合金中均匀孔隙结构体积百分比为26％～27％。具体做法为：

将碳含量为6.13％，粒度为2.10μm的WC粉，粒度为1.2μm的Co粉，以及粒度为1.0μm的W粉，配制成钴含量为16％，总碳含量为5.12％的混合粉末。湿磨后压制成直径为15mm，高度为7mm的硬质合金基体软坯，该合金用于合成PCD复合片。软坯在全真空状态下烧结，最高烧结温度1285℃，保温时间45分钟。检测磁饱和值为148emu/g。合金中均匀孔隙结构体积百分比为26％～27％，金相显微镜下观察到合金中孔隙结构均匀分布，最大孔隙尺寸不超过25μm。

使用此合金合成PCD复合片时，合金基体材料的线收缩率为9.5％～10.0％，合金达到完全致密。聚晶层和合金基体界面结合良好，复合片在使用时，使用寿命平均提高12％。

实施例3：一种聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料

该硬质合金基体材料由WC相、Co相组成，并带有均匀分布的孔隙结构；硬质合金基体材料中，Co所占比例为13％，WC所占重量百分比为87％，WC的晶粒度为1.30μm；硬质合金基体材料的总碳重量百分比为5.30％，磁饱和为140emu/g。合金中均匀孔隙结构体积百分比为11％～12％，具体做法为：

将碳含量为6.12％，粒度为1.4μm的WC粉，粒度为1.2μm的Co粉，以及粒度为1.0μm的W粉，配制成钴含量为13％，总碳含量为5.30％的混合粉末。湿磨后压制成直径为18mm，高度为12mm的PCD复合片用合金基体软坯。全真空状态下烧结，最高烧结温度1300℃，保温时间45分钟。检测磁饱和值为140emu/g。合金中均匀孔隙结构体积百分比为11％～12％，金相显微镜下观察到合金中孔隙结构均匀分布，最大孔隙尺寸不超过20μm。

使用此合金合成PCD复合片时，合金基体材料的线收缩率为3.5％～4％，合金达到完全致密。聚晶层和合金基体界面结合良好，生产中因聚晶层脱落和界面裂纹引起的废品由3.5％降低到0.7％，复合片变形量由0.20mm减小到0.12mm。复合片钎焊在金刚石钻头钻进使用时，使用寿命提高21％。

实施例4：一种聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料

该硬质合金基体材料是一种由WC相、Co相组成，并带有均匀分布的孔隙结构；硬质合金基体材料中，Co所占比例为11％，WC所占重量百分比为89％，WC的晶粒度为1.20μm；硬质合金基体材料的总碳重量百分比为5.35％，磁饱和为145emu/g。合金中均匀孔隙结构体积百分比为6％～7％。具体做法为：

将碳含量为6.14％，粒度为1.2μm的WC粉，粒度为1.2μm的Co粉，以及粒度为1.0μm的W粉，配置成钴含量为11％，总碳含量为5.35％的混合粉末。湿磨后压制成直径为62mm，厚度为5mm的PCD复合片用合金基体软坯。全真空状态下烧结，最高烧结温度1320℃，保温时间45分钟。检测磁饱和值为145emu/g。合金中均匀孔隙结构体积百分比为6％～7％，金相显微镜下观察到合金中孔隙结构均匀分布，如图1。附图标记1为孔隙结构，附图标记2为WC相，附图标记3为Co相，从图1可见，孔隙结构均匀分布，以单个孔隙形式存在，相互不连通；孔隙长度不超过10μm。

使用此合金合成刀具用PCD复合片时，合金基体材料的线收缩率为2.0％-2.5％，合金达到完全致密。聚晶层和合金基体界面结合良好，合成后冷却及放置过程中，因热应力和内应力引起的裂纹和断裂比例由8％降低到2.8％，复合片变形量由0.50mm减小到0.24mm，聚晶层厚度差由0.48mm减小到0.25mm。后续磨削减薄过程中裂纹比例由4.8％降低到1.6％，激光切割崩刃比例由0.7％降低到0.2％。刀具复合片在金属切削使用时，使用寿命提高了14％。

根据上述实施例1～4，硬质合金基体材料可以包括Fe和/或Ni取代部分或全部的Co；硬质合金基体材料也包括TiC或TiN或Ti(C,N)取代部分或全部的WC；还可以根据硬质合金牌号需要，加入晶粒抑制剂，如TaC、VC、Cr₃C₂及NbC等。硬质合金基体材料除用于PCD复合片外，也可以用于PCD复合齿、以及其他各种聚晶层为非平面的PCD复合产品；硬质合金基体材料也可以用于合成各种形状的PCBN复合产品。

本发明硬质合金基体材料在高压高温条件下合成PCD复合片时，由于聚晶层和合金基体同时收缩，可减小PCD复合片的应力，提高成品率和复合片的品质，延长PCD复合片的使用寿命。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。

Claims

1.聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料，其特征在于：该硬质合金基体材料是一种由WC相、Co相以及均匀分布的孔隙结构组成的合金，在所述硬质合金基体材料中，WC所占重量百分比为84％～95％，Co所占重量百分比为5％～16％；所述硬质合金基体材料中含均匀孔隙结构，均匀孔隙结构占基体材料总体积的1％～27％，孔隙尺寸不超过25μm；所述硬质合金基体材料的总碳重量百分比为5.00％～5.90％，磁饱和为120～160emu/g。

2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料，其特征在于：所述硬质合金基体材料中包含晶粒抑制剂，Co所占重量百分比为5％～16％，WC所占重量百分比为82％～95％，晶粒抑制剂所占重量百分比为0.1％～2％，所述晶粒抑制剂为TaC、VC、Cr₃C₂、NbC中至少一种。

3.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料，其特征在于：所述硬质合金基体材料包括Fe和/或Ni以取代部分或全部的Co；所述硬质合金基体材料也包括TiC或TiN或Ti(C,N)以取代部分或全部的WC。

4.聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料的应用，其特征在于：包括以下步骤：

1)、微粉处理：将金刚石微粉进行净化处理；

2)、合金处理：对硬质合金基体材料进行清洁处理；

5.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料的应用，其特征在于：硬质合金基体材料合成聚晶金刚石PCD时，合金基体材料的线收缩率为0.5％～10.0％。

6.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片用硬质合金基体材料的应用，其特征在于：难熔金属杯材质为Zr、Ti或Mo。