CN113427006A - 一种聚晶金刚石复合片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚晶金刚石复合片及其制备方法，所述聚晶金刚石复合片包括硬质合金基体层，以及覆盖于所述硬质合金基体层端面的聚晶金刚石层，其中，所述聚晶金刚石层包括靠近所述硬质合金基体层端面的内层和远离所述硬质合金基体层端面的外层,所述内层边缘形成的圆的直径大于等于所述硬质合金基体圆柱直径，所述外层边缘形成的圆的直径小于所述硬质合金基体圆柱的直径。本发明通过将聚晶金刚石复合片的聚晶金刚石层设计为多层结构，通过调整聚晶金刚石层的直径，使得在对所述聚晶金刚石复合片进行磨削加工时，可以实现良好的加工精度，满足聚晶金刚石复合片能够装配进高精度配合的钻头，进一步提高聚晶金刚石复合片的使用寿命。

Description

一种聚晶金刚石复合片及其制备方法
技术领域
本发明涉及探钻工具及超硬材料领域，尤其涉及一种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由金刚石粉末与硬质合金基体通过粘结剂在高温高压下烧结而成。金刚石层具有高硬度、高耐磨性、自锐性的特点，对击碎和磨削岩石提供强力的突破效果。但这种高耐磨性使得复合片在外圆磨削加工时，易产生金刚石层外圆大，硬质合金层外圆小的现象，导致外圆加工难度大、精度差的问题。当聚晶金刚石复合片被安装进钻头时，若复合片与钻头安装孔无法紧密配合将会影响复合片的使用寿命甚至直接失效。
因此，现有技术存在缺陷，有待改进与发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种聚晶金刚石复合片及其制备方法，旨在解决现有聚晶金刚石复合片与钻头安装孔无法紧密配合易导致复合片的使用寿命较短或复合片失效的问题。
为了解决上述技术问题，本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种聚晶金刚石复合片，其中，包括：
硬质合金基体层，以及覆盖于所述硬质合金基体层端面的聚晶金刚石层，其中，所述聚晶金刚石层包括靠近所述硬质合金基体层端面的内层和远离所述硬质合金基体层端面的外层,所述内层边缘形成的圆的直径大于等于所述硬质合金基体圆柱直径，所述外层边缘形成的圆的直径小于所述硬质合金基体圆柱的直径。
所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述内层完全覆盖于所述硬质合金基体层端面，所述外层部分覆盖于所述内层上，所述内层和所述外层均包括不少于一层聚晶金刚石。
所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述外层边缘形成的圆的直径与所述硬质合金圆柱的直径的比值为50％-99.9％。
所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述所述聚晶金刚石层由金刚石粉末、粘结剂以及碳化钨粉末组成。
所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述粘结剂为Ni、Co、Ti的一种或多种，或含有至少一种上述元素的合金。
所述的聚晶金刚石复合片，其中，按重量份计，
所述外层包括：金刚石粉末60％-90％、碳化钨5％-40％以及粘结剂4％-10％；
所述内层包括：金刚石粉末10％-40％、碳化钨60％-80％以及粘结剂8％-15％。
所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述外层的金刚石粉末颗粒粒径为1-20μm，所述内层的金刚石粉末颗粒粒径为5-40μm。
所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述聚晶金刚石层的端面为平面、球面、凸台面、锥面中的一种或多种。
如上所述的聚晶金刚石复合片的制备方法，其中，包括步骤：
将金刚石粉末、粘结剂和碳化钨粉末混合均匀，并将混合后的粉末分层装入金属杯中；
对所述金属杯中的粉末造型，随后将硬质合金基体装入所述金属杯的混合粉上方，得到装配好的金属杯组件；
对所述装配好的金属杯组件在第一预定温度下真空处理第一预定时间；
将所述处理后的金属杯套件置于合成膜中，放入高温高压设备在第二预定温度下烧结第二预定时间；
去除金属杯，加工至目标尺寸，即制得所述聚晶金刚石复合片。
所述的聚晶金刚石复合片的制备方法，其中，所述第一预定温度为600-800℃；所述第二预定温度为1300-1500℃；所述第一预定时间为2-10h；所述第二预定时间为5-10min。
有益效果：本发明提供了一种聚晶金刚石复合片及其制备方法，所述聚晶金刚石复合片包括硬质合金基体层，以及覆盖于所述硬质合金基体层端面的聚晶金刚石层，其中，所述聚晶金刚石层包括靠近所述硬质合金基体层端面的内层和远离所述硬质合金基体层端面的外层,所述内层边缘形成的圆的直径大于等于所述硬质合金基体圆柱直径，所述外层边缘形成的圆的直径小于所述硬质合金基体圆柱的直径。本发明通过将聚晶金刚石复合片的聚晶金刚石层设计为多层结构，通过调整聚晶金刚石层的直径，使得在对所述聚晶金刚石复合片进行磨削加工时，可以实现良好的加工精度，满足聚晶金刚石复合片能够装配进高精度配合的钻头，进一步提高聚晶金刚石复合片的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片球齿结构图。
图2为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片球齿分层示意图。
图3为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片球面边缘图。
图4为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片锥尖齿主视图。
图5为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片锥尖齿分层示意图。
图6为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片锥尖齿边缘图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
聚晶金刚石复合片是由金刚石粉末与硬质合金基体通过粘结剂在高温高压下烧结而成。金刚石层具有高硬度、高耐磨性、自锐性的特点，对击碎和磨削岩石提供强力的突破效果。但这种高耐磨性使得复合片在外圆磨削加工时，易产生金刚石层外圆大，硬质合金层外圆小的现象，导致外圆加工难度大、精度差的问题。当聚晶金刚石复合片被安装进钻头时，若复合片与钻头安装孔无法紧密配合将会影响复合片的使用寿命甚至直接失效。
基于此，本发明提供了一种聚晶金刚石复合片，包括：
硬质合金基体层，以及覆盖于所述硬质合金基体层端面的聚晶金刚石层，其中，所述聚晶金刚石层包括靠近所述硬质合金基体层端面的内层和远离所述硬质合金基体层端面的外层,所述内层边缘形成的圆的直径大于等于所述硬质合金基体圆柱直径，所述外层边缘形成的圆的直径小于所述硬质合金基体圆柱的直径。
具体地，本发明通过将聚晶金刚石复合片的聚晶金刚石层设计为多层结构，通过调整聚晶金刚石层的直径，使得在对所述聚晶金刚石复合片进行磨削加工时，不会在相同的加工力度时因为金刚石层的硬度远大于硬质合金基体层而导致硬质合金基体层被磨削的比较多，从而导致最终加工的聚晶金刚石复合片尺寸精度较差，采用本发明对于聚晶金刚石层的结构设计可以实现良好的加工精度，满足聚晶金刚石复合片能够装配进高精度配合的钻头，进一步提高聚晶金刚石复合片的使用寿命。
在本实施例中，所述内层完全覆盖于所述硬质合金基体层端面，所述外层部分覆盖于所述内层上。同时，所述内层和所述外层均包括不少于一层聚晶金刚石。
本发明所述的聚晶金刚石复合片采用了独特的结构设计，即将覆盖于所述硬质合金基体层断面的聚晶金刚石层设置为多层，具体设置为靠近并完全覆盖于所述硬质合金基体层端面的内层和远离所述硬质合金基体层端面并部分覆盖于所述内层上的外层，同时所述聚晶金刚石层的多层结构可以为双层、三层甚至更多，因此所述内层可以设置为单层聚晶金刚石，也可以设置为多层聚晶金刚石，所述外层同样可以设置为单层聚晶金刚石或多层聚晶金刚石，通过多层结构设计可以使所述聚晶金刚石复合片能够更加精准地把控加工尺寸，并且通常内层的厚度较小对于尺寸精度影响不大，外层为影响聚晶金刚石复合片加工精度的主要因素，因此通过对聚晶金刚石的结构进行分层，缩小外层的尺寸可以实现良好的加工精度，以便于当所述聚晶金刚石复合片被安装进钻头时，所述聚晶金刚石复合片可以与钻头安装孔实现紧密配合，从而进一步保障所述聚晶金刚石复合片的使用寿命，并使所述聚晶金刚石复合片能够更加适用于异形端面的加工。
具体地，在一些实施方式中，所述外层边缘形成的圆的直径与所述硬质合金圆柱的直径的比值为50％-99.9％。
在本实施例中，所述聚晶金刚石层由金刚石粉末、粘结剂以及碳化钨粉末组成。
具体地，聚晶金刚石复合片的制备通常是在高温高压下、在触媒材料作为粘结剂的辅助下、在烧结碳化钨的基体上，将细小的金刚石可怜烧结粘合在一起，而以触媒材料为粘结剂的烧结碳化钨则是作为支撑基体存在的；在高温高压的烧结过程中，烧结碳化钨基体中的触媒材料可以扩散到所述金刚石的颗粒中间，作为触媒可以促进金刚石颗粒间的结合，所述金刚石颗粒与金刚石颗粒之间通过键结合，即Diamond-to-Diamond,简称D-D键结合，最终形成聚晶金刚石层。
在一些实施方式中，所述触媒材料为Ni、Co、Ti的一种或多种，或含有至少一种上述元素的合金，但不限于此。
具体地，所述触媒材料通常选用的为金属，金属触媒材料不仅可以促进金刚石的石墨化，还可以在添加量合适的情况下，能够使得制得的聚晶金刚石具有较好的热稳定性，并且保持其原有的良好抗冲击性能，最终制备出来的聚晶金刚石复合片具有优异的综合性能，在切削应用中取得极大的成功，因此广泛应用于各种切削工具上。
进一步地，在一些实施方式中，本发明所述的聚晶金刚石复合片中，按重量份计，所述外层包括：金刚石粉末60％-90％、碳化钨5％-40％以及触媒材料4％-10％；所述内层包括：金刚石粉末10％-40％、碳化钨60％-80％以及触媒材料8％-15％。
具体地，本发明通过控制所述内层和所述外层的金刚石成分含量可以实现在保持所述聚晶金刚石复合片的高硬度、高耐磨性、自锐性等特点的同时还可以使得所述内层能够更加便于加工，因为金刚石粉末本身的耐磨性使得在对所述聚晶金刚石复合片的金刚石层进行磨削加工时，加工难度较大，精度也比较差，从而会影响所述聚晶金刚石复合片与钻头安装孔的配合紧密程度，从而影响使用寿命，而本发明通过将所述内层的金刚石含量设置的比较低，所述外层的金刚石含量设置的比较高，可以使得所述内层能够更容易加工，以便于大幅度提升了所述聚晶金刚石复合片的加工精度，同时又能保持所述聚晶金刚石复合片的高硬度、高耐磨性和自锐性。
在一些实施方式中，所述聚晶金刚石层的金刚石颗粒粒径设置为5-20μm，所述外层的金刚石粉末颗粒粒径为1-20μm，所述内层的金刚石粉末颗粒粒径为5-40μm。
在一些实施方式中，为了使所述聚晶金刚石复合片能够适用于多种钻头，所述硬质合金基体层涂覆聚晶金刚石层的端面可以为平面，可以为球面，也可以为凸台面，锥面或者其他的不规则形状，所述聚晶金刚石层则根据所述硬质合金基体层的端面形状相应定型覆盖于所述硬质合金基体层上。
本发明还提供了一种聚晶金刚石复合片的制备方法，具体包括步骤：
S100、将金刚石粉末、粘结剂和碳化钨粉末混合均匀，并将混合后的粉末分层装入金属杯中；
S200、对所述金属杯中的粉末造型，随后将硬质合金基体装入所述金属杯的混合粉上方，得到装配好的金属杯组件；
S300、对所述装配好的金属杯组件在第一预定温度下真空处理第一预定时间；
S400、将所述处理后的金属杯套件置于合成膜中，放入高温高压设备在第二预定温度下烧结第二预定时间；
S500、去除金属杯，加工至目标尺寸，即制得所述聚晶金刚石复合片。
具体地，所述第一预定温度为600-800℃；所述第二预定温度为1300-1500℃；所述第一预定时间为2-10h；所述第二预定时间为5-10min；所述合成膜由叶腊石制成。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1-图3所示，为一种潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿，包括硬质合金基体20和附着结合在硬质合金基体20上端的聚晶金刚石层10：其中，所述硬质合金基体20一端面为球面；所述聚晶金刚石层10为两层：外层101和内层102，覆盖在硬质合金基体球面端，形状也为球面，其中所述外层101的是部分覆盖的，内层102是完全覆盖的；其中，外层101耐磨性远高于内层102，内层102的耐磨性稍高于硬质合金基体20。
如图2所示为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片球齿分层示意图，可以看出，硬质合金基体20的一个端面为球面；聚晶金刚石层10为双层：外层101和内层102。
内层102边缘形成的圆的直径L2等于硬质合金基体圆柱直径D，外层101边缘形成的圆的直径L1小于内层102边缘形成的圆的直径L2，小于硬质合金圆柱直径D，如图3所示为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片球面边缘图，可以看出，内层102边缘与外层101边缘间相差距离d，d>0。
该聚晶金刚石复合球齿的制备方法包括如下步骤；
金刚石颗粒与粘结剂、碳化钨粉末通过球磨机球磨混合均匀，转速为160r/min，并在800℃温度中，通入氢气还原100min，将上述粉末分层装入材质为锆或者铌的球形金属杯中；
用工具对粉末造型，随后将硬质合金基体装入所述金属杯的混合粉上方，得到装配好的金属杯组件；
将上述装配好的金属杯套件在750℃下真空处理6小时；
将上述经过真空处理后的金属杯套件置于叶腊石制成的合成膜中，放入高压高温设备进行烧结，压力7.5Gpa,温度1450℃左右，时间6min；
烧结完成后，卸压、冷却，取出聚晶金刚石复合片，去除金属杯，并加工到目标尺寸，即制得所述聚晶金刚石复合片。
实施例2
如图4-图6所示，为一种潜孔钻用聚晶金刚石复合锥尖齿，包括硬质合金基体20和附着结合在硬质合金基体20上端的聚晶金刚石层30：其中，所述硬质合金基体20的一端面为锥面；所述聚晶金刚石层30为两层：外层301和内层302，覆盖在硬质合金基体锥面端，形状也为锥面，其中外层301的是部分覆盖的，内层302是完全覆盖的；其中，外层301耐磨性远高于内层302，内层302的耐磨性稍高于硬质合金基体20。
如图5所示为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片锥尖齿分层示意图，可以看出，硬质合金基体20的一个端面为锥面；聚晶金刚石层30为双层：外层301和内层302。
内层302边缘形成的圆的直径L2等于硬质合金基体圆柱直径D，外层301边缘形成的圆的直径L1小于内层302边缘形成的圆的直径L2，小于硬质合金圆柱直径D，如图6所示为本发明实施例提供的聚晶金刚石复合片球面边缘图，可以看出，内层302边缘与外层301边缘间相差距离d，d>0。
该聚晶金刚石复合片锥尖齿的制备包括以下步骤；
金刚石颗粒与粘结剂、碳化钨粉末通过球磨机球磨混合均匀，转速为160r/min，并在800℃温度中，通入氢气还原100min，将上述粉末分层装入材质为锆或者铌的锥形金属杯中；
用工具对粉末造型，随后将硬质合金基体装入所述金属杯的混合粉上方，得到装配好的金属杯组件；
将上述装配好的金属杯套件在750℃下真空处理6小时；
将上述经过真空处理后的金属杯套件置于叶腊石制成的合成膜中，放入高压高温设备进行烧结，压力7.5Gpa,温度1450℃左右，时间6min；
烧结完成后，卸压、冷却，取出聚晶金刚石复合片，去除金属杯，并加工到目标尺寸，即制得所述聚晶金刚石复合片。
综上，本发明提供了一种聚晶金刚石复合片及其制备方法，所述聚晶金刚石复合片包括硬质合金基体层，以及覆盖于所述硬质合金基体层端面的聚晶金刚石层，其中，所述聚晶金刚石层为多层结构。本发明通过将聚晶金刚石复合片的聚晶金刚石层设计为多层结构，并且对于聚晶金刚石层的内层和外层均设定了相应的成分和结构，可以实现良好的加工精度，满足聚晶金刚石复合片能够装配进高精度配合的钻头，进一步提高聚晶金刚石复合片的使用寿命，同时聚晶金刚石层的内层也能够更易加工。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括：
硬质合金基体层，以及覆盖于所述硬质合金基体层端面的聚晶金刚石层，其中，所述聚晶金刚石层包括靠近所述硬质合金基体层端面的内层和远离所述硬质合金基体层端面的外层,所述内层边缘形成的圆的直径大于等于所述硬质合金基体圆柱直径，所述外层边缘形成的圆的直径小于所述硬质合金基体圆柱的直径。
2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述内层完全覆盖于所述硬质合金基体层端面，所述外层部分覆盖于所述内层上；所述内层和所述外层均包括不少于一层聚晶金刚石。
3.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述外层边缘形成的圆的直径与所述硬质合金圆柱的直径的比值为50％-99.9％。
4.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述所述聚晶金刚石层由金刚石粉末、粘结剂以及碳化钨粉末组成。
5.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述粘结剂为Ni、Co、Ti的一种或多种，或含有至少一种上述元素的合金。
6.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，按重量份计，
所述外层包括：金刚石粉末60％-90％、碳化钨5％-40％以及粘结剂4％-10％；
所述内层包括：金刚石粉末10％-40％、碳化钨60％-80％以及粘结剂8％-15％。
7.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述外层的金刚石粉末颗粒粒径为1-20μm，所述内层的金刚石粉末颗粒粒径为5-40μm。
8.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层的端面为平面、球面、凸台面、锥面中的一种或多种。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将金刚石粉末、粘结剂和碳化钨粉末混合均匀，并将混合后的粉末分层装入金属杯中；
对所述金属杯中的粉末造型，随后将硬质合金基体装入所述金属杯的混合粉上方，得到装配好的金属杯组件；
对所述装配好的金属杯组件在第一预定温度下真空处理第一预定时间；
将所述处理后的金属杯套件置于合成膜中，放入高温高压设备在第二预定温度下烧结第二预定时间；
去除金属杯，加工至目标尺寸，即制得所述聚晶金刚石复合片。
10.根据权利要求9所述的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述第一预定温度为600-800℃；所述第二预定温度为1300-1500℃；所述第一预定时间为2-10h；所述第二预定时间为5-10min。
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