CN206884330U - 聚晶金刚石复合片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种聚晶金刚石复合片。本实用新型聚晶金刚石复合片包括硬质合金基体层和聚晶金刚石层以及过渡层，所述过渡层层叠结合在所述硬质合金基体层与所述聚晶金刚石层之间，所述聚晶金刚石层的背离所述硬质合金基体层的表面上结合有CVD金刚石层。本实用新型聚晶金刚石复合片通过在聚晶金刚石层的外表面增设CVD金刚石层，在与硬质合金基体层之间增设过渡层，通过各层的协同作用，赋予上述聚晶金刚石复合片优异的耐磨性能和耐高温性能，而且聚晶金刚石层与硬质合金基体的结合强度得到提高。其制备方法制备的聚晶金刚石复合片性能稳定。

Description

聚晶金刚石复合片

技术领域

本实用新型属于超硬复合材料技术领域，具体的是涉及一种聚晶金刚石复合片。

背景技术

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compacts，简称PDC复合片)是由硬质合金层与聚晶金刚石层组成的超硬复合材料，其具备了金刚石的高耐磨性和硬质合金的韧性、可焊接性特点。而且，金刚石具有高导热性的优点，在刀具材料的切削使用过程中及时将热量导出，减少热量在聚晶金刚石复合片局部的富集，延长复合片的使用寿命。因此，聚晶金刚石复合片被作为优良的切削刀具材料而被广泛应用，尤其在石油、地质钻探和机械加工行业。

聚晶金刚石复合片一般是将金刚石微粉平铺于硬质合金基体上方，在高温高压条件进行合成的。在合成聚晶金刚石复合片的过程中，硬质合金基体中的Co、Ni和Fe等成分在高温高压下向金刚石微粉层熔渗扩散，促使金刚石颗粒的再结晶生长，实现金刚石颗粒之间的键合及聚晶金刚石层与硬质合金基体的连接。然而，烧结完成之后的复合片成品中，在聚晶金刚石层尤其在金刚石颗粒间隙处，残留大量金属Co、Ni和Fe成分。复合片在高速磨削作用下加工面局部温度都能达到甚至超过700℃，残留金属成分催化金刚石向石墨转化。石墨化现象的发生，一方面，金刚石体积膨胀，对键合的金刚石键产生局部作用力，大大削弱了金刚石颗粒之间的结合强度；另一方面，金属Co的热膨胀系数远远大于金刚石的热膨胀系数，高温下Co等金属与金刚石的界面处，产生很强的作用力，极易形成微观裂纹，使PDC层变得疏松，大大的降低聚晶金刚石复合片的质量。残留在聚晶金刚石层中的Co、Ni和Fe等金属成分，对于成品复合片是有害的。因此，在合成PDC复合片的过程中，应尽可能地减少金属成分在复合片中的含量，以期提高复合片的耐磨性和耐热性。

目前也出现了一些试图降低聚晶金刚石层中的Co、Ni和Fe等金属成分，来提高PDC复合片耐磨性和耐热性的技术。如利用化学气相沉积法(简称CVD法)来生产具有一定厚度的聚晶金刚石为基础，将CVD法与传统的聚晶金刚石复合片合成法相结合，促进PDC复合片的质量提高。但是，在实际应用过程中发现，该方法制备的PDC复合片在聚晶金刚石层与硬质合金基体界面处残余应力较大，主要是由于组成PDC复合片材料物理特性的差异，如热膨胀系数、杨氏模量等。在成品PDC复合片的使用过程中，容易发生聚晶金刚石层脱落的现象。

在公开的另一技术方案中试图改善聚晶金刚石层与硬质合金基体界面处残余应力，增强两者的结合强度，但是依然会导致在形成的聚晶金刚石层中的金属成分如Co残留量较大，依然造成成品PDC复合片的耐磨性、耐热性能较差。

因此，如何有效增强成品PDC复合片的耐磨性、耐热性能同时又能有效增强聚晶金刚石层与硬质合金基体界面的结合力是本领域一直希望解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种聚晶金刚石复合片，以解决现有聚晶金刚石复合片存在的耐磨性、耐热性不理想和/或所含聚晶金刚石层与硬质合金基体界面的结合力差的技术问题。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种聚晶金刚石复合片。所述包括硬质合金基体层和聚晶金刚石层，还包括过渡层，所述过渡层层叠结合在所述硬质合金基体层与所述聚晶金刚石层之间，所述聚晶金刚石层的背离所述硬质合金基体层的表面上镶嵌有CVD金刚石层。

优选地，所述过渡层的厚度与所述聚晶金刚石层和CVD金刚石层的总厚度比为(0.5-1)：1。

优选地，所述过渡层的厚度为0.5-1.5mm。

优选地，所述CVD金刚石层的厚度为0.5-1mm。

优选地，所述CVD金刚石层为CVD金刚圆柱体，所述CVD金刚圆柱体的一端镶嵌于聚晶金刚石层的表面上。

具体地，所述CVD金刚圆柱体的直径为10-20mm，厚度为0.5-1mm。

优选地，所述CVD金刚石层的厚度与所述聚晶金刚石层与CVD金刚石层的总厚度比为(0.2-0.5)：1。

与现有技术相比，上述聚晶金刚石复合片通过在聚晶金刚石层的外表面增设CVD金刚石层，在与硬质合金基体层之间增设过渡层，通过各层的协同作用，赋予上述聚晶金刚石复合片优异的耐磨性能和耐高温性能，而且聚晶金刚石层与硬质合金基体的结合强度。

附图说明

图1是本实用新型实施例聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图2是本实用新型实施例聚晶金刚石复合片制备方法流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一方面，本实用新型实施例提供了一种聚晶金刚石复合片。所述聚晶金刚石复合片的结构如图1所示，其包括硬质合金基体层1，沿硬质合金基体层1中心向表面延伸的方向，在硬质合金基体层1的一表面上依次层叠结合有过渡层2和聚晶金刚石层3。在聚晶金刚石层3的外表面上还结合有CVD金刚石层4。

其中，上述聚晶金刚石复合片所含的硬质合金基体层1可以是选用常规的聚晶金刚石复合片所含的硬质合金基体。

上述聚晶金刚石复合片所含的过渡层2有效结合在硬质合金基体层1和聚晶金刚石层3之间，能够有效释放聚晶金刚石层3与硬质合金基体层1界面的应力，从而提高聚晶金刚石层3与硬质合金基体层1之间的结合强度。在一实施例中，所述过渡层2是由过渡层粉体烧结形成。在具体实施例中，过渡层粉体烧结形成过渡层2按照下午聚晶金刚石复合片的制备方法进行。其中，所述过渡层粉体包括如下质量百分比的组分：

第一金刚石微粉65％-85％、碳化钨颗粒10％-25％、结合剂5％-10％。

在具体实施例中，过渡层粉体所含的第一金刚石微粉的粒径为5-65μm，其含量可以是65％、68％、70％、72％、75％、77％、78％、80％、82％、85％、等。

在另一具体实施例中，碳化钨的粒径为1-10μm，其含量可以是10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、23％、25％等。

在又一具体实施例中，结合剂的粒径为5-10μm。另外，该结合剂为由包括Fe、Co和Ni中的至少一种金属颗粒组成。其含量可以是5％、6％、7％、8％、9％、10％等。

上述各实施例中的过渡层粉体通过对其成分的控制和优化，烧结后形成的过渡层2能够有效释放聚晶金刚石层3与硬质合金基体层1界面的应力，从而提高聚晶金刚石层3与硬质合金基体层1之间的结合强度的同时，还能起到缓冲作用，降低硬质合金基体层1中所含的Co、Ni和Fe成分金属在烧结过程中直接向聚晶金刚石层3中扩散，从而降低聚晶金刚石层3中残留金属的含量，从而提高其耐磨性能和耐高温性能。

另外，在一实施例中，上述过渡层2的厚度与聚晶金刚石层3和CVD金刚石层4的总厚度比为(0.5-1)：1。其中，该过渡层2的厚度为0.5-1.5mm。通过控制过渡层2的厚度，以实现优化过渡层2的作用，从而进一步提高其释放聚晶金刚石层3与硬质合金基体层1界面的应力作用效果，并有效降低硬质合金基体层1中所含的Co、Ni和Fe成分金属在烧结过程中直接向聚晶金刚石层3中扩散程度。

上述聚晶金刚石复合片所含的聚晶金刚石层3的厚度可以是常规的厚度。其可以采用下文中聚晶金刚石层3的方法制备获得，具体是采用金刚石微砂，与过渡层2粉体一起烧结形成。由于该聚晶金刚石层3是结合在过渡层2上，也即是该聚晶金刚石层3与硬质合金基体层1直接结合有过渡层2，因此，该聚晶金刚石层3中的残留的如Co、Ni和Fe成分金属含量低，从而聚晶金刚石层3的耐磨耐高温性能。

上述CVD金刚石层4是结合在聚晶金刚石层3的外表面上，也即是结合在聚晶金刚石层3的背离所述硬质合金基体层1的表面上。由于CVD金刚石层4是由CVD金刚石形成，由于CVD金刚石是由纯净的多晶金刚石形成，金刚石颗粒分布致密，颗粒之间键合密度大，结合强度较高，其具有高的耐磨特性。也正是由于CVD金刚石是由纯净的多晶金刚石形成，因此，其不含有残留金属如Co等金属成分，消除了残留金属如Co等金属对金刚石的石墨化作用。同时，CVD金刚石层4还可以迅速的导走加工过程中产生的多余热量，使CVD金刚石层4和聚晶金刚石层3中的温度分布均匀，大大的降低了热量在CVD金刚石层4和聚晶金刚石层3中局部的富集，从而提高聚晶金刚石复合片的耐磨性。

在一实施例中，上述CVD金刚石层4的厚度与上述聚晶金刚石层3与CVD金刚石层4的总厚度比为(0.2-0.5)：1。通过控制两者的厚度比例，是优化聚晶金刚石复合片的耐磨耐热性能。

在一实施例中，上述CVD金刚石层4为CVD金刚石圆柱体(图未显示)。其一端是结合在聚晶金刚石层3的表面上，如可以是镶嵌在聚晶金刚石层3的表层中。在具体实施例中，上述CVD金刚石圆柱体的直径为10-20mm，厚度为0.5-1mm。

因此，上述各实施例中的聚晶金刚石复合片由于CVD金刚石层4和过度层4的存在，两者协同作用，使得上述各实施例中聚晶金刚石复合片具有优异的耐磨和耐高温性能。

相应地，本实用新型实施例还提供了一种关于上文所述聚晶金刚石复合片的制备方法。该制备方法流程如图2所示，同时请参见聚晶金刚石复合片结构图1，包括如下步骤：

S01.切割CVD金刚石膜获得CVD金刚石层4：获取CVD金刚石膜，并进行切割处理，形成CVD金刚石层4；

S02.在CVD金刚石层4表面上形成金刚石微粉层、过度层粉体层等层形成聚晶金刚石复合片的前驱体：在所述CVD金刚石层一表面上依次铺设第二金刚石微粉层、过度层粉体层，再在所述过度层粉体层上层叠硬质合金基体1，形成聚晶金刚石复合片的前驱体；

S03.将聚晶金刚石复合片的前驱体进行烧结处理：将所述前驱体所处的环境进行抽真空处理，后按照聚晶金刚石生成条件进行烧结处理。

其中，上述步骤S01中，获取CVD金刚石膜的方法可以采用制备金刚石成熟的CVD制备。对制备的CVD进行切割是根据聚晶金刚石复合片的尺寸需要进行切割，如上文所述的，将CVD金刚石膜切割成CVD金刚石圆柱体状，具体的是切割成直径为10-20mm，厚度为0.5-1mm的CVD金刚石圆柱体。

上述步骤S02中，形成第二金刚石微粉层时，可以直接将第二金刚石微粉铺设在步骤S04形成的CVD金刚石层4上形成第二金刚石微粉层。当CVD金刚石层4为CVD金刚石圆柱体时，第二金刚石微粉是至少在所述CVD金刚石圆柱体的一圆形端面上铺设所述第二金刚石微粉层。也即是说，该第二金刚石微粉可以直接铺设在一端面上，同时还可以填充至CVD金刚石圆柱体的周围，从而形成第二金刚石微粉层。在一实施例中，所述第二金刚石微粉的粒径为5-30μm。

待第二金刚石微粉层铺设形成之后，采用过度粉体在第二金刚石微粉层外表面上铺设过度粉体，形成过度粉体层。一实施例中，过度粉体如上文所述，其包括如下质量百分比的组分：

第一金刚石微粉65％-85％、碳化钨颗粒10～25％、结合剂5～10％。

其中，所述第一金刚石微粉的粒径为5-65μm，碳化钨的粒径为1-10μm，结合剂的粒径为5-10μm。所述结合剂为由包括Fe、Co和Ni中的至少一种金属颗粒组成。

另外，控制所述第二金刚石微粉层的质量与过渡层粉体层的质量比为1:(0.5-1)。从而控制最终烧结形成的聚晶金刚石层3和过度层2的厚度比例，从而实现如上述所述的使得聚晶金刚石层3具有高耐磨耐高温性能，过度层2能够有效释放聚晶金刚石层3与硬质合金基体层1之间的应力。

具体实施例中，上述形成聚晶金刚石复合片的前驱体可以是在金属钼杯中进行。

上述步骤S03中，将前驱体进行抽真空处理能够有效除去体系中的空气，避免对前驱体进行烧结处理过程中对各层结构的生成造成不利影响，保证各层结构的生成和制备的聚晶金刚石复合片性能稳定。一实施例中，所述抽真空处理是是将所述前驱体所处的环境温度升高至500-700℃下进行真空处理。抽真空处理的时间应该是充分的，如2-10小时，以充分除去环境中的空气。当然，应该理解的是，在进出抽真空处理的过程，由步骤S02制备的前驱体必须是处理在被抽真空的环境之中的，便于后续烧结处理。

待抽真空处理后的烧结处理过程中，上述步骤S02第二金刚石微粉层烧结形成上文所述的聚晶金刚石层3，过度层粉体层烧结形成过渡层2。在一实施例中，所述烧结处理的温度为1500-1700℃，烧结时间为10-15min，压强为5-7Gpa。在具体实施例中，在烧结之前，是将内部装设前驱体的金属钼杯置于叶腊石块中进行烧结处理。

另外，烧结处理后，撤去压力载荷，随炉冷却至室温。取出烧结物聚晶金刚石复合片粗产物后，还包括对聚晶金刚石复合片粗产物进行打磨抛光处理等步骤。具体如在金刚石抛光机上将聚晶金刚石复合片粗产物进行抛光打磨，除去覆盖在CVD金刚石层4外表面上烧结物，使得CVD金刚石层4外表面抛光裸露。同时还可以进一步加工聚晶金刚石复合片至目标尺寸。

因此，上述聚晶金刚石复合片制备方法将CVD金刚石层与第二金刚石微粉层、过度层粉体层以及硬质合金基体1进行一体烧结形成，使得烧结生成的聚晶金刚石层3具有高择尤取向的细晶，杂质金属含量少，提高了聚晶金刚石复合片的耐磨性，而且生成的聚晶金刚石层3成分与CVD金刚石层4成分为相同物质，从而使得CVD金刚石层4与聚晶金刚石层3结合强度高。过度层粉体层与第二金刚石微粉层和硬质合金基体1一起烧结，从而使得生成的过度层2、聚晶金刚石层3、硬质合金基体1三者结合强度高，而且也提高了聚晶金刚石复合片的抗冲击韧性。

现结合具体实例，对本实用新型实施例聚晶金刚石复合片的结构及其制备方法进行进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供一种聚晶金刚石复合片，其结构如图1所示，包括依次层叠结合的硬质合金基体层1、过渡层2和聚晶金刚石层3以及CVD金刚石层4。其中，过渡层2的厚度为0.5mm，聚晶金刚石层3的厚度为0.5mm，CVD金刚石层4为尺寸为10-20mm，厚度为0.5-1mm的CVD金刚石小圆柱体。

其制备方法如下：

S11：采用激光切割机将CVD法得到的金刚石膜切割成直径为10-20mm，厚度为0.5-10mm的圆柱状CVD金刚石。

S12：PDC复合片过渡层的配料。将金刚石微粉、碳化钨颗粒和结合剂混合均匀，质量配比，金刚石微粉：碳化钨颗粒：结合剂＝75％：20％：5％进行混合均匀，其中，金刚石微粉粒度大小为5～65μm，碳化钨颗粒大小为1～10μm，结合剂粒度大小为5～10μm，选用的结合剂一般由Fe、Co和Ni等金属组成；

S13：PDC复合片原材料的整体组装配料。在金属钼杯中依次放入圆柱状CVD金刚石、金刚石微粉和混合均匀的过渡层配料，然后将硬质合金基体装入到金属杯中粉末上方，其中金刚石微粉颗粒的大小为5～30μm，金刚石微粉质量：过渡层配料质量＝1:(0.5～1)。然后将组装好的金属杯组件在500℃下真空处理3小时，最后将上述经过真空处理后的金属杯组件置于叶腊石块中，放入高压设备进行烧结，烧结温度为1500℃，烧结时间为10min，撤去压力载荷，随炉冷却至室温；

S14：在金刚石抛光机上将PDC复合片上层圆柱状CVD金刚石面抛光裸露，加工PDC复合片至目标尺寸。

实施例2

本实施例提供一种聚晶金刚石复合片，其结构如图1所示，包括依次层叠结合的硬质合金基体层1、过渡层2和聚晶金刚石层3以及CVD金刚石层4。其中，过渡层2的厚度为1mm，聚晶金刚石层3的厚度为1mm，CVD金刚石层4是为尺寸为10-20mm，厚度为0.5-1mm的CVD金刚石小圆柱体。

其制备方法如下：

S21：采用激光切割机将CVD法得到的金刚石膜切割成直径为10-20mm，厚度为0.5-10mm的圆柱状CVD金刚石。

S22：PDC复合片过渡层的配料。将金刚石微粉、碳化钨颗粒和结合剂混合均匀，质量配比，金刚石微粉：碳化钨颗粒：结合剂＝80％：15％：5％进行混合均匀，其中，金刚石微粉粒度大小为5～65μm，碳化钨颗粒大小为1～10μm，结合剂粒度大小为5～10μm，选用的结合剂一般由Fe、Co和Ni等金属组成；

S23：PDC复合片原材料的整体组装配料。在金属钼杯中依次放入圆柱状CVD金刚石、金刚石微粉和混合均匀的过渡层配料，然后将硬质合金基体装入到金属杯中粉末上方，其中金刚石微粉颗粒的大小为5～30μm，金刚石微粉质量：过渡层配料质量＝1:(0.5～1)。然后将组装好的金属杯组件在600℃下真空处理5小时，最后将上述经过真空处理后的金属杯组件置于叶腊石块中，放入高压设备进行烧结，烧结温度为1600℃，烧结时间为12min，撤去压力载荷，随炉冷却至室温；

S14：在金刚石抛光机上将PDC复合片上层圆柱状CVD金刚石面抛光裸露，加工PDC复合片至目标尺寸。

实施例3

本实用新型提供一种聚晶金刚石复合片，其结构如图1所示，包括依次层叠结合的硬质合金基体层1、过渡层2和聚晶金刚石层3以及CVD金刚石层4。其中，过渡层2的厚度为1mm，聚晶金刚石层3的厚度为1.5mm，CVD金刚石层4为尺寸为10-20mm，厚度为0.5-1mm的CVD金刚石小圆柱体。

其制备方法如下：

S31：采用激光切割机将CVD法得到的金刚石膜切割成直径为10-20mm，厚度为0.5-10mm的圆柱状CVD金刚石。

S32：PDC复合片过渡层的配料。将金刚石微粉、碳化钨颗粒和结合剂混合均匀，质量配比，金刚石微粉：碳化钨颗粒：结合剂＝85％：10％：5％进行混合均匀，其中，金刚石微粉粒度大小为5～65μm，碳化钨颗粒大小为1～10μm，结合剂粒度大小为5～10μm，选用的结合剂一般由Fe、Co和Ni等金属组成；

S33：PDC复合片原材料的整体组装配料。在金属钼杯中依次放入圆柱状CVD金刚石、金刚石微粉和混合均匀的过渡层配料，然后将硬质合金基体装入到金属杯中粉末上方，其中金刚石微粉颗粒的大小为5～30μm，金刚石微粉质量：过渡层配料质量＝1:(0.5～1)。然后将组装好的金属杯组件在700℃下真空处理8小时，最后将上述经过真空处理后的金属杯组件置于叶腊石块中，放入高压设备进行烧结，烧结温度为1700℃，烧结时间为15min，撤去压力载荷，随炉冷却至室温；

S34：在金刚石抛光机上将PDC复合片上层圆柱状CVD金刚石面抛光裸露，加工PDC复合片至目标尺寸。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体层和聚晶金刚石层，其特征在于：还包括过渡层，所述过渡层层叠结合在所述硬质合金基体层与所述聚晶金刚石层之间，所述聚晶金刚石层的背离所述硬质合金基体层的表面上结合有CVD金刚石层。

2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述过渡层的厚度与所述聚晶金刚石层和CVD金刚石层的总厚度比为(0.5-1)：1。

3.根据权利要求1或2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述过渡层的厚度为0.5-1.5mm。

4.根据权利要求1或2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述CVD金刚石层的厚度为0.5-1mm。

5.根据权利要求1或2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述CVD金刚石层为CVD金刚圆柱体，所述CVD金刚圆柱体的一端镶嵌于聚晶金刚石层的表面上。

6.根据权利要求5所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述CVD金刚圆柱体的直径为10-20mm，厚度为0.5-1mm。

7.根据权利要求1、2或6所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述CVD金刚石层的厚度与所述聚晶金刚石层与CVD金刚石层的总厚度比为(0.2-0.5)：1。