CN114393213A - 一种聚晶金刚石复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
一种聚晶金刚石复合材料及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114393213A CN114393213A CN202210052034.XA CN202210052034A CN114393213A CN 114393213 A CN114393213 A CN 114393213A CN 202210052034 A CN202210052034 A CN 202210052034A CN 114393213 A CN114393213 A CN 114393213A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- polycrystalline diamond
- diamond composite
- composite material
- grains
- hard alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 192
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 191
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 138
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 48
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 48
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims abstract description 24
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 32
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 15
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 14
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 14
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 14
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 12
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 10
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 9
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 claims description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000009527 percussion Methods 0.000 claims description 3
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 3
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 8
- 238000013329 compounding Methods 0.000 abstract description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 25
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000004901 spalling Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
- B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
- B22F7/08—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/1003—Use of special medium during sintering, e.g. sintering aid
- B22F3/1007—Atmosphere
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
- C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
- C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
- C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Geology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本申请公开了一种聚晶金刚石复合材料及其制备方法与应用，涉及复合材料领域，旨在解决现有技术中复合材料抗冲击性不足的技术问题。所述聚晶金刚石复合材料，包括：硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体；所述聚晶金刚石复合材料主体包括：金刚石晶粒和增强相；所述金刚石晶粒包括：晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒。本申请所述聚晶金刚石复合材料以晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒和增强相为主要原料，通过与硬质合金基体烧结复合而成；本申请所述的聚晶金刚石复合材料通过改进原料组分，大大降低了脆性转变温度，提高了晶粒和晶界，增大了裂纹扩展的阻力，因此显著提升了聚晶金刚石复合材料的抗冲击性能。
Description
技术领域
本申请涉及复合材料领域，特别涉及一种聚晶金刚石复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
如今，很多切削工具均是由复合材料制得，所述切削工具被广泛应用于制作切割、铣削、磨削、钻孔、地表钻探和岩石钻孔等领域。在地表钻探和岩石钻孔等领域，对用于制作切削工具的复合材料的抗冲击性要求也较高。
但现有技术所公开的复合材料在应用于地表钻探和岩石钻孔等领域时，其抗冲击性有待提高。
发明内容
本申请的主要目的是提供一种聚晶金刚石复合材料及其制备方法与应用，旨在解决现有技术中复合材料抗冲击性不足的技术问题。
为实现上述目的，本申请提出了一种聚晶金刚石复合材料，包括：硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体；
所述聚晶金刚石复合材料主体包括：金刚石晶粒和增强相；
所述金刚石晶粒包括：晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒。
作为本申请一些可选实施方式，所述增强相包括：弹性模量为1.5～2.0TPa，弯曲强度为14～14.5GPa的碳纳米管。
作为本申请一些可选实施方式，所述聚晶金刚石复合材料主体形成工作表面的暴露表面和外围侧边缘。
作为本申请一些可选实施方式，所述聚晶金刚石复合材料还包括：黏结剂。
作为本申请一些可选实施方式，所述黏结剂包括：过渡金属及其合金、氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物和碳氧化物中的至少一种。
作为本申请一些可选实施方式，所述硬质合金基体包括：晶粒粒度为0.3～1.0μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金中的至少一种。
作为本申请一些可选实施方式，所述硬质合金基体的第一硬质合金包括：7-12wt％钴和88-91wt％碳化钨。
为了实现上述目的，本申请还提出了一种如上所述聚晶金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将所述增强相、所述金刚石晶粒和黏结剂混合，获得聚晶金刚石复合材料主体；
将所述聚晶金刚石复合材料主体与硬质合金基体压制成块后进行真空热处理，烧结成型，获得聚晶金刚石复合材料。
作为本申请一些可选实施方式，所述真空热处理的处理条件包括：
绝对真空度为25～28kPa，处理温度为660～670℃，处理时间为1.6～1.8h。
为实现上述目的，本申请还提出了一种如上所述的聚晶金刚石复合材料的应用，将所述聚晶金刚石复合材料用于制造钻探地面的旋转剪切钻头或冲击钻头。
本申请所述聚晶金刚石复合材料以晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒和增强相为主要原料，通过与硬质合金基体烧结复合而成；本申请所述的聚晶金刚石复合材料通过改进原料组分，大大降低了脆性转变温度，提高了晶粒和晶界，增大了裂纹扩展的阻力，因此显著提升了聚晶金刚石复合材料的抗冲击性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本申请实施例所述聚晶金刚石复合材料的结构示意图；
图2为本申请实施例所述聚晶金刚石复合材料的结构示意图；
图3为本申请实施例所述聚晶金刚石复合材料的制备方法流程示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如今，很多切削工具均是由复合材料制得，所述切削工具被广泛应用于制作切割、铣削、磨削、钻孔、地表钻探和岩石钻孔等领域，例如切割、铣削、磨削、钻孔岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料等。尤其是在地表钻探和岩石钻孔等领域，对用于制作切削工具的复合材料的抗冲击性要求更高，因为切削工具的工作寿命会因为复合材料的破碎或剥落而受到限制。
但现有技术所公开的复合材料在应用于地表钻探和岩石钻孔等领域时，其抗冲击性有待提高。
参照图1，本申请所述的一种聚晶金刚石复合材料，包括：硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体；
所述聚晶金刚石复合材料主体包括：金刚石晶粒和增强相；
所述金刚石晶粒包括：晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒。
金刚石晶粒是一种超硬材料，其包括大量相互生长的金刚石晶粒，从而形成了限定金刚石晶粒之间的空隙的骨架质量。因此本申请所述聚晶金刚石复合材料以晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒和增强相为主要原料，通过与硬质合金基体烧结复合而成；本申请所述的聚晶金刚石复合材料通过改进原料组分，大大降低了脆性转变温度，提高了晶粒和晶界，增大了裂纹扩展的阻力，因此显著提升了聚晶金刚石复合材料的抗冲击性能。本申请所述的金刚石晶粒可以是天然的晶粒，也可以是合成的晶粒，这里不做特殊限定，但所述金刚石晶粒应时天然或合成的高密度聚晶金刚石，其包括至少95V％的金刚石。
作为本申请一些可选实施方式，所述增强相包括：弹性模量为1.5～2.0TPa，弯曲强度为14～14.5GPa的碳纳米管。本申请所述的碳纳米管增强相改善了由金刚石晶粒所形成的金刚石聚晶内部的颗粒连接结构，使其形成了更多的“金刚石-金刚石”的连接关系，并且本申请所述的碳纳米管改善了由金刚石晶粒所形成的金刚石聚晶中的金刚石颗粒与黏结剂颗粒之间的变形，从而抑制了裂纹的扩展。
作为本申请一些可选实施方式，所述聚晶金刚石复合材料主体形成工作表面的暴露表面和外围侧边缘。
在聚晶金刚石复合材料的实际应用中，当所述聚晶金刚石复合材料高速切削过程中，在金刚石聚晶的聚晶金刚石颗粒和黏结剂颗粒的结合处，会因线膨胀系数差异而产生的热胀冷缩间隙，相互键合的晶粒之间的间隙可以部分填充有非超硬相材料，如本申请所述的碳纳米管。所述碳纳米管将融入所述热胀冷缩间隙中，从而减少了孔洞空隙的产生，进而减少了裂纹的产生，由于增加了所述聚晶金刚石复合材料的抗冲击性能。
作为本申请一些可选实施方式，如图2所示，所述聚晶金刚石复合材料还包括：黏结剂。所述黏结剂平铺与所述硬质合金基体的表面，所述表面包括平坦部分以及不平坦部分尽可能使聚晶金刚石复合材料与硬质合金基体完全黏合，从而得到稳固性能更好的聚晶金刚石复合材料。
作为本申请一些可选实施方式，所述黏结剂包括：过渡金属及其合金、氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物和碳氧化物中的至少一种。合适的黏结剂能促进金刚石尽力的相互长大，从而提高所述聚晶金刚石复合材料的抗冲击性能。在本申请一些可选实施方式中，所述黏结剂的质量为所述聚晶金刚石复合材料总质量的12～18％。
作为本申请一些可选实施方式，所述硬质合金基体包括：晶粒粒度为0.3～1.0μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金中的至少一种。当所述硬质合金基体为晶粒粒度为0.3～1.0μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金的组合时，所述晶粒粒度为0.3～1.0μm的第一硬质合金与所述晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金的质量比可以为20～40:60～80。将晶粒粒度不同的硬质合金进行混合使用，是由于在烧结时，钴往金刚石层中渗透，高压保证了金刚石聚晶中只会存在钴和金刚石，而且由于第一硬质合金的晶粒较小，故增大了烧结时钴往金刚石聚晶中的迁移难度，使得金刚石聚晶中的钴含量相比常规基体有显著降低，显著提高了聚晶金刚石复合材料的耐热性、耐磨性和使用寿命。
优选地，所述第一硬质合金与聚晶金刚石复合材料主体进行接触，因为晶粒较小，故与聚晶金刚石层的热膨胀系数相差较小，因此在界面产生的残余应力也比常规基体的要小，有利于提高聚晶金刚石复合材料的抗冲击性；同时第一硬质合金由于增大了聚晶金刚石复合材料烧结时钴往聚晶金刚石层中的迁移难度，使得聚晶金刚石复合材料中的钴含量相比常规基体有显著降低，可显著提高复合材料产品的耐热性、耐磨性和使用寿命；第一硬质合金本身的硬度、强度和耐腐蚀性也比常规基体有明显提高，减少了聚晶金刚石复合材料在井下使用时受到冲蚀、磨损和腐蚀所导致的早期损坏的可能性。
作为本申请一些可选实施方式，所述硬质合金基体的第一硬质合金包括：7-12wt％钴和88-91wt％碳化钨。钴的存在是促进聚晶金刚石层中金刚石颗粒溶解-析出-成键的重要触媒；但同时，钴会降低聚晶金刚石层的耐磨性，还会因为热膨胀系数的较大差异在受热条件下产生金刚石晶粒键合间的微裂纹，从而导致聚晶金刚石复合材料的碎裂。因此，在保证金刚石晶粒烧结成键完整的前提下，钴含量越少，聚晶金刚石复合材料的热稳定性和使用寿命越好。
为便于本领域技术人员实施，本申请还提出了一种如上所述聚晶金刚石复合材料的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：
将所述增强相、所述金刚石晶粒和黏结剂混合，获得聚晶金刚石复合材料主体；
将所述聚晶金刚石复合材料主体与硬质合金基体压制成块后进行真空热处理，烧结成型，获得聚晶金刚石复合材料。
作为本申请一些可选实施方式，所述真空热处理的处理条件包括：
绝对真空度为25～28kPa，处理温度为660～670℃，处理时间为1.6～1.8h。
作为本申请一些可选实施方式，在所述将所述增强相、所述金刚石晶粒和黏结剂混合，获得聚晶金刚石复合材料主体的步骤之前，还包括：
将弹性模量为1.5-2.0TPa，弯曲强度为14-14.5GPa的碳纳米管作为增强相；
筛选出晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒备用；
选取晶粒粒度为0.3-1.0μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金中的至少一种作为硬质合金基体。
为了实现上述目的，本申请还提出了一种如上所述的聚晶金刚石复合材料的应用，将所述聚晶金刚石复合材料用于制造钻探地面的旋转剪切钻头或冲击钻头。
下面将结合具体实施例对本申请所述方案进行详细说明：
实施例1
本实施例所述的聚晶金刚石复合材料包括硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体。其中，所述硬质合金基体包括：晶粒粒度为0.3μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金；所述聚晶金刚石复合材料主体包括：金刚石晶粒，弹性模量为2.0TPa、弯曲强度为14GPa的碳纳米管增强相，黏结剂；所述金刚石晶粒包括：晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒。
上述聚晶金刚石复合材料通过下述步骤制备而得：
将所述增强相、所述金刚石晶粒和黏结剂混合，获得聚晶金刚石复合材料主体；
将所述聚晶金刚石复合材料主体与硬质合金基体压制成块后，在绝对真空度为26kPa、处理温度为660℃的条件下进行真空热处理1.6h，烧结成型，获得聚晶金刚石复合材料。
实施例2
本实施例所述的聚晶金刚石复合材料包括硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体。其中，所述硬质合金基体包括：晶粒粒度为0.5μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金；所述聚晶金刚石复合材料主体包括：金刚石晶粒，弹性模量为1.5TPa、弯曲强度为14.3GPa的碳纳米管增强相，黏结剂；所述金刚石晶粒包括：晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒。
上述聚晶金刚石复合材料通过下述步骤制备而得：
将所述增强相、所述金刚石晶粒和黏结剂混合，获得聚晶金刚石复合材料主体；
将所述聚晶金刚石复合材料主体与硬质合金基体压制成块后，在绝对真空度为27kPa、处理温度为665℃的条件下进行真空热处理1.7h，烧结成型，获得聚晶金刚石复合材料。
实施例3
本实施例所述的聚晶金刚石复合材料包括硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体。其中，所述硬质合金基体包括：晶粒粒度为0.6μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金；所述聚晶金刚石复合材料主体包括：金刚石晶粒，弹性模量为1.6TPa、弯曲强度为14.2GPa的碳纳米管增强相，黏结剂；所述金刚石晶粒包括：晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒。
上述聚晶金刚石复合材料通过下述步骤制备而得：
将所述增强相、所述金刚石晶粒和黏结剂混合，获得聚晶金刚石复合材料主体；
将所述聚晶金刚石复合材料主体与硬质合金基体压制成块后，在绝对真空度为25kPa、处理温度为661℃的条件下进行真空热处理1.65h，烧结成型，获得聚晶金刚石复合材料。
实施例4
本实施例所述的聚晶金刚石复合材料包括硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体。其中，所述硬质合金基体包括：晶粒粒度为0.8μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.7μm的第二硬质合金；所述聚晶金刚石复合材料主体包括：金刚石晶粒，弹性模量为1.5～2.0TPa、弯曲强度为14.1GPa的碳纳米管增强相，黏结剂；所述金刚石晶粒包括：晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒。
上述聚晶金刚石复合材料通过下述步骤制备而得：
将所述增强相、所述金刚石晶粒和黏结剂混合，获得聚晶金刚石复合材料主体；
将所述聚晶金刚石复合材料主体与硬质合金基体压制成块后，在绝对真空度为27kPa、处理温度为666℃的条件下进行真空热处理1.72h，烧结成型，获得聚晶金刚石复合材料。
实施例5
本实施例所述的聚晶金刚石复合材料包括硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体。其中，所述硬质合金基体包括：晶粒粒度为1.0μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金；所述聚晶金刚石复合材料主体包括：金刚石晶粒，弹性模量为1.9TPa、弯曲强度为14.4GPa的碳纳米管增强相，黏结剂；所述金刚石晶粒包括：晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒。
上述聚晶金刚石复合材料通过下述步骤制备而得：
将所述增强相、所述金刚石晶粒和黏结剂混合，获得聚晶金刚石复合材料主体；
将所述聚晶金刚石复合材料主体与硬质合金基体压制成块后，在绝对真空度为26kPa、处理温度为670℃的条件下进行真空热处理1.8h，烧结成型，获得聚晶金刚石复合材料。
下面将本申请实施例1-5所述制得的聚晶金刚石复合材料和现有技术中的复合材料(表格中简称为对比例)进行性能对比，采用自动落球实验装置测试复合材料的抗冲击性能，结果如表1所示：
表1：
| 实施例 | 平均落球冲击次数 | 热稳定性/℃ |
| 实施例1 | 30 | 873 |
| 实施例2 | 33 | 871 |
| 实施例3 | 33 | 873 |
| 实施例4 | 35 | 870 |
| 实施例5 | 35 | 874 |
| 对比例 | 9 | 855 |
通过上表可以看出，与现有技术的复合材料相比，本申请所述聚晶金刚石复合材料以晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒和弹性模量为1.5～2.0TPa、弯曲强度为14～14.5GPa的碳纳米管增强相为主要原料，通过与不同晶粒粒径的硬质合金基体烧结复合而成；本申请所述的聚晶金刚石复合材料通过改进原料组分，改善了由金刚石晶粒所形成的金刚石聚晶中的金刚石颗粒与黏结剂颗粒之间的变形，从而抑制了裂纹的扩展；同时大大降低了脆性转变温度，提高了晶粒和晶界，增大了裂纹扩展的阻力，因此显著提升了聚晶金刚石复合材料的抗冲击性能。
将本实施例所述的聚晶金刚石复合材料应用于制备切割元件，所述切割元件可以设计为圆柱形，当所述切割元件的硬质合金基体通常为圆柱形，并具有外围表面和外围的上边缘。前刀面是指当使用切割机从物体上切割材料时，被切割的切屑流过的一个或多个表面，前刀面指导新形成的切屑流。前刀面通常也称为切削元件的顶面或工作面，所述工作表的边缘称为边缘切割面，旨在对使用中的物体进行切割。应当理解，如本文所用，术语“切削刃”是指在刀具的任何特定阶段或在多于一个阶段的切削磨损直至刀具故障之前，在功能上如上定义的实际切削刃，但不限于切割器处于基本未使用或未使用的状态。如本文中所使用的，“碎片”是通过多晶复合结构从被切割的物体的工作表面去除的物体的碎片。如本文所使用的，“磨损痕迹”是在使用中通过去除由于刀具的磨损引起的一定量的刀具材料而形成的刀具的表面。侧面可能包括磨损痕迹。当刀具在使用中磨损时，可以逐渐从靠近切削刃的位置去除材料，从而随着磨损痕迹的形成不断重新定义切削刃，前刀面和后刀面的位置和形状。
所述切割元件可以将其安装在诸如拉力钻头之类的钻头本体中，并且可以适合用作例如钻入地下的钻头的切削刀片。与硬质合金基体相对的聚晶金刚石复合材料主体的暴露顶面形成切割面，也称为工作面，是指其边缘与其一起的表面，在使用中进行切割。
在实际应用中，所述切割元件可以是圆柱形，也可以是梯形，还可以是其他立方形；所述硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体通过黏结剂进行连接，而所述硬质合金基体与黏结剂之间的连接界面可以是平面也可以是非平面还可以弧面等任何形状，所述聚晶金刚石复合材料主体和黏结剂之间的连接界面可以是平面也可以是非平面还可以弧面等任何形状；以满足在实际应用中所述切割元件的应用场景。
以上所述仅为本申请的可选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的发明构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种聚晶金刚石复合材料，其特征在于，包括：硬质合金基体和通过烧结复合在所述硬质合金基体上表面的聚晶金刚石复合材料主体；
所述聚晶金刚石复合材料主体包括：金刚石晶粒和增强相；
所述金刚石晶粒包括：晶粒度＞7.0级的金刚石晶粒。
2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合材料，其特征在于，所述增强相包括：弹性模量为1.5～2.0TPa，弯曲强度为14～14.5GPa的碳纳米管。
3.根据权利要求1所述聚晶金刚石复合材料，其特征在于，所述聚晶金刚石复合材料主体形成工作表面的暴露表面和外围侧边缘。
4.根据权利要求1所述聚晶金刚石复合材料，其特征在于，所述聚晶金刚石复合材料还包括：黏结剂。
5.根据权利要求4所述聚晶金刚石复合材料，其特征在于，所述黏结剂包括：过渡金属及其合金、氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物和碳氧化物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述聚晶金刚石复合材料，其特征在于，所述硬质合金基体包括：晶粒粒度为0.3～1.0μm的第一硬质合金和晶粒粒度＞1.0μm的第二硬质合金中的至少一种。
7.根据权利要求6所述聚晶金刚石复合材料，其特征在于，所述硬质合金基体的第一硬质合金包括：7-12wt％钴和88-91wt％碳化钨。
8.一种如权利要求1-7任一项所述聚晶金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述增强相、所述金刚石晶粒和黏结剂混合，获得聚晶金刚石复合材料主体；
将所述聚晶金刚石复合材料主体与硬质合金基体压制成块后进行真空热处理，烧结成型，获得聚晶金刚石复合材料。
9.根据权利要求8所述聚晶金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，所述真空热处理的处理条件包括：
绝对真空度为25～28kPa，处理温度为660～670℃，处理时间为1.6～1.8h。
10.一种如权利要求1-8所述的聚晶金刚石复合材料的应用，其特征在于，将所述聚晶金刚石复合材料用于制造钻探地面的旋转剪切钻头或冲击钻头。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210052034.XA CN114393213A (zh) | 2022-01-17 | 2022-01-17 | 一种聚晶金刚石复合材料及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210052034.XA CN114393213A (zh) | 2022-01-17 | 2022-01-17 | 一种聚晶金刚石复合材料及其制备方法与应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114393213A true CN114393213A (zh) | 2022-04-26 |
Family
ID=81230744
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210052034.XA Pending CN114393213A (zh) | 2022-01-17 | 2022-01-17 | 一种聚晶金刚石复合材料及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114393213A (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103072332A (zh) * | 2012-12-27 | 2013-05-01 | 深圳市海明润实业有限公司 | 一种聚晶金刚石复合片及其制备方法 |
| CN105908041A (zh) * | 2016-04-27 | 2016-08-31 | 富耐克超硬材料股份有限公司 | 高韧性聚晶复合材料和高韧性聚晶刀片及其制备方法 |
| CN106563809A (zh) * | 2016-11-14 | 2017-04-19 | 中石化石油机械股份有限公司江钻分公司 | 一种聚晶金刚石‑硬质合金复合片及其制备方法 |
-
2022
- 2022-01-17 CN CN202210052034.XA patent/CN114393213A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103072332A (zh) * | 2012-12-27 | 2013-05-01 | 深圳市海明润实业有限公司 | 一种聚晶金刚石复合片及其制备方法 |
| CN105908041A (zh) * | 2016-04-27 | 2016-08-31 | 富耐克超硬材料股份有限公司 | 高韧性聚晶复合材料和高韧性聚晶刀片及其制备方法 |
| CN106563809A (zh) * | 2016-11-14 | 2017-04-19 | 中石化石油机械股份有限公司江钻分公司 | 一种聚晶金刚石‑硬质合金复合片及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6601662B2 (en) | Polycrystalline diamond cutters with working surfaces having varied wear resistance while maintaining impact strength | |
| US10329848B2 (en) | Superhard constructions and methods of making same | |
| EP1190791B1 (en) | Polycrystalline diamond cutters with working surfaces having varied wear resistance while maintaining impact strength | |
| US6797326B2 (en) | Method of making polycrystalline diamond with working surfaces depleted of catalyzing material | |
| US7950477B1 (en) | Polycrystalline diamond compact (PDC) cutting element having multiple catalytic elements | |
| US12065885B2 (en) | Cutting element and methods of making the same | |
| US20190009339A1 (en) | Super hard constructions & methods of making same | |
| CA2423099A1 (en) | High volume density polycrystalline diamond with working surfaces depleted of catalyzing material | |
| US20220228443A1 (en) | A cutting element and methods of making same | |
| US20220184693A1 (en) | Superhard constructions & methods of making same | |
| US20180021924A1 (en) | Super hard components and powder metallurgy methods of making the same | |
| CN114393213A (zh) | 一种聚晶金刚石复合材料及其制备方法与应用 | |
| US20190344350A1 (en) | Superhard constructions & methods of making same | |
| CN114472899A (zh) | 一种聚晶复合材料及其制备方法与应用 | |
| US20210094881A1 (en) | Polycrystalline diamond constructions | |
| CN114293084A (zh) | 一种多晶立方氮化硼复合材料及其制备方法与应用 | |
| US20030183426A1 (en) | Polycrystalline Material Element with Improved Wear Resistance And Methods of Manufacture Thereof | |
| WO2019211438A1 (en) | Method of processing polycrystalline super hard material | |
| WO2024223247A1 (en) | A cutting element and methods of making same | |
| GB2569896A (en) | Polycrystalline diamond constructions | |
| US20170355017A1 (en) | Super hard components and powder metallurgy methods of making the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |