專(zhuān)利名稱(chēng)：一種表面改性的聚晶金剛石及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚晶金剛石性能的改進(jìn)，具體涉及一種表面改性的聚晶金剛石及其加 工方法。
背景技術(shù)：
金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片(簡(jiǎn)稱(chēng)金剛石復(fù)合片或PDC)是將金剛石粉末添加一定的 燒結(jié)助劑與硬質(zhì)合金基體組裝在一起后，在專(zhuān)用金剛石液壓機(jī)上，并在超高壓高溫條件下 燒結(jié)制得。它由聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金基體構(gòu)成。由于聚晶金剛石層硬度高、耐磨性好， 加上硬質(zhì)合金基體具有良好的韌性和可焊性，使其在石油鉆探、地質(zhì)鉆探及煤田開(kāi)采和切 削加工等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在制造PDC或制造整體聚晶金剛石時(shí)通常采用鈷、鎳、鐵作為燒結(jié)助劑對(duì)金剛石 粉進(jìn)行超高壓高溫?zé)Y(jié)。最常用的觸媒金屬是鈷及其合金，常用的超高壓高溫?zé)Y(jié)的壓力 條件是4. 5-6GPa。在此條件下，要使金剛石顆粒之間互相直接燒結(jié)在一起形成D-D結(jié)合結(jié) 構(gòu)(金剛石-金剛石結(jié)合)，必須采用上述燒結(jié)助劑才能完成燒結(jié)，從而得到性能優(yōu)異的聚晶 金剛石層，聚晶金剛石的顯微組織是由具有相連骨架結(jié)構(gòu)的金剛石相和彌散分布的“小島 狀”金屬相組成。金剛石顆粒燒結(jié)成骨架結(jié)構(gòu)后，整個(gè)聚晶金剛石的性能完全依賴(lài)金剛石骨架結(jié)合 的程度。金剛石顆粒間結(jié)合得越充分，結(jié)合面積越大，聚晶金剛石的強(qiáng)度越好、越耐磨。該 強(qiáng)度基本與彌散在骨架間隙中的金屬相無(wú)關(guān)。相反，鐵族金屬相的存在對(duì)聚晶金剛石的使 用性能是有害的，其中包括熱損害和應(yīng)力損害。在PDC用作工具工作時(shí)，其與工件接觸的工作點(diǎn)附近常常有很高的工作溫度，局 部能達(dá)到七八百攝氏度，甚至上千攝氏度。研究表明，作為高壓下促使石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?觸媒金屬一鈷、鎳、鐵，常壓下也會(huì)促進(jìn)金剛石向石墨的轉(zhuǎn)變。因此，PDC中的鐵族金屬相會(huì) 因工作點(diǎn)高溫溫度不同在一定程度上減低PDC的耐磨性，造成熱損害。金剛石的熱膨脹系數(shù)只是鈷的十分之一，當(dāng)工作溫度很高時(shí)，鈷相膨脹遠(yuǎn)大于金 剛石骨架的膨脹，產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力達(dá)到一定值后，會(huì)破壞金剛石骨架，使聚晶金剛石出 現(xiàn)裂紋，造成應(yīng)力損害。因而現(xiàn)有聚晶金剛石本體的結(jié)構(gòu)和加工方法還有待改進(jìn)和提高。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種表面改性的聚晶金剛 石及其加工方法，將聚晶金剛石本體上的觸媒金屬去除形成孔洞，并采用非觸媒高導(dǎo)熱性 金屬嵌入這些孔洞中，從而消除聚晶金剛石本體在高溫工作時(shí)的熱損害和應(yīng)力損害。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案
一種表面改性的聚晶金剛石，包括聚晶金剛石本體，其中，在所述聚晶金剛石本體上設(shè) 置有去除觸媒金屬后形成的孔洞，在所述孔洞中嵌置有非觸媒金屬。
所述表面改性的聚晶金剛石，其中，所述非觸媒金屬為銅、銀、鋁、或者銅、銀、鋁的
合金所述表面改性的聚晶金剛石，其中，所述孔洞的深度為0. 1-lmm。一種表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其中，包括
將聚晶金剛石本體表面的觸媒金屬去除，并在聚晶金剛石本體表面形成孔洞； 將非觸媒金屬嵌入所述孔洞中。所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其中，所述將聚晶金剛石本體表面的觸 媒金屬去除，并在聚晶金剛石本體表面形成孔洞的步驟具體包括
將聚晶金剛石本體在王水中煮沸，并在沸騰的王水中保持20-60小時(shí)； 將聚晶金剛石本體取出清洗至中性。所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其中，所述將非觸媒金屬嵌入所述孔洞 中的步驟具體包括
以1400轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的銅輪與聚晶金剛石本體表面接觸； 進(jìn)給0. 1-0. 4毫米進(jìn)行強(qiáng)力摩擦，使聚晶金剛石本體的表面被銅覆蓋。所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其中，
將聚晶金剛石本體在王水中煮沸，并在沸騰的王水中保持10-110小時(shí)； 將聚晶金剛石本體取出清洗至中性。所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其中，所述將非觸媒金屬嵌入所述孔洞 中的步驟具體包括將聚晶金剛石本體置于銅模具中，以該模具為陰極，以硫酸銅溶液為電 解液，純銅板為陽(yáng)極，進(jìn)行電沉積。所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其中，所述的非觸媒金屬為銅、銀、鋁、或 者銅、銀、鋁的合金。所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其中，所述孔洞的深度為0. 1-lmm。本發(fā)明提供的一種表面改性的聚晶金剛石及其加工方法，采用了將聚晶金剛石本 體上的觸媒金屬去除，并將非觸媒金屬嵌入去除觸媒金屬后在聚晶金剛石表面形成的孔洞 中，從而消除了聚晶金剛石在高溫工作時(shí)的熱損害和應(yīng)力損害，延長(zhǎng)了聚晶金剛石的使用
壽命ο


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的聚晶金剛石的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的聚晶金剛石去除觸媒金屬后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的聚晶金剛石的加工流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種表面改性的聚晶金剛石及其加工方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù) 方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解， 此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。請(qǐng)參閱圖1和圖2，本發(fā)明實(shí)施例提供的表面改性的聚晶金剛石包括聚晶金剛石 本體11，該聚晶金剛石本體11裝設(shè)在一硬質(zhì)合金基體21上，在所述聚晶金剛石本體11上設(shè)置有多個(gè)去除觸媒金屬后形成的孔洞111，并且在所述孔洞111中嵌置有非觸媒金屬。其中，所述觸媒金屬為鐵、鈷、鎳，非觸媒金屬為銅、銀、鋁、或者銅、銀、鋁的合金， 并且孔洞111的深度為0. I-Imm的深度為最佳，即本發(fā)明只去除聚晶金剛石本體11表面 0. I-Imm深度處的觸媒金屬。本發(fā)明去除鐵、鈷、鎳后，使聚晶金剛石本體11表面形成孔洞 111，然后將銅、銀或者鋁嵌入這些孔洞111中，提高聚晶金剛石的耐熱性，從而延長(zhǎng)聚晶金 剛石的使用壽命。因?yàn)殂~、銀、鋁都不是合成金剛石的觸媒金屬，也不具有催化金剛石向石墨逆轉(zhuǎn)變 的作用。銅的熱導(dǎo)率為397W/mK，銀的熱導(dǎo)率為429W/mK，鋁的熱導(dǎo)率為217W/mK，而鈷的熱 導(dǎo)率只有96W/mK。用銅、銀、鋁、或者銅、銀、鋁的合金替代鈷、鎳、鐵后，有利于提高聚晶金剛 石的整體熱導(dǎo)性，使聚晶金剛石本體U表面更易散熱，其工作點(diǎn)的工作溫度會(huì)有所降低。本實(shí)施例中，雖然銀比銅的熱導(dǎo)率略高，但其價(jià)格遠(yuǎn)高于銅，本發(fā)明優(yōu)選為銅及其 合金來(lái)代替鈷。而鋁及其合金是另一選擇，由于鋁的熔點(diǎn)較低，嵌入孔洞111中的方法會(huì)更 為簡(jiǎn)單，另外由于鋁在700°C以上的工作點(diǎn)工作時(shí)，溶化的鋁會(huì)溢出表面，起到“發(fā)汗”散熱 的作用。因此，本發(fā)明實(shí)施例采用導(dǎo)熱性好的非觸媒金屬替代鈷鎳鐵以消除聚晶金剛石熱 損害和應(yīng)力損害的影響。本發(fā)明實(shí)施例還對(duì)應(yīng)提供一種表面改性的聚晶金剛石的加工方法，請(qǐng)參閱圖3，所 述的加工方法包括
Sl 10、在PDC的硬質(zhì)合金基體上包裹防腐涂料；
S210、將聚晶金剛石本體表面的觸媒金屬去除，并在聚晶金剛石本體表面形成孔洞； S310、將非觸媒金屬嵌入所述孔洞中；
S410、采用砂紙或者砂布打磨聚晶金剛石本體表面，去除聚晶金剛石本體表面多余的 非觸媒金屬。在步驟S210中，所述觸媒金屬為鐵鈷鎳，其主要通過(guò)酸煮法將聚晶金剛石本體表 面的鐵鈷鎳腐蝕掉，而金剛石具有很強(qiáng)的耐酸堿性，在酸堿處理后金剛石不會(huì)發(fā)生變化。將 聚晶金剛石本體表面的觸媒金屬去除后，其顯微組織是單一的金剛石相和彌散的孔洞。在步驟S310中，非觸媒金屬為銅、銀、鋁、或者銅、銀、鋁的合金，因?yàn)殂~、銀、鋁只 填充在去除鐵鈷鎳后形成的孔洞，且銅、銀、鋁特別柔軟且只在表面，在高溫工作時(shí)因其與 金剛石熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)很小，以達(dá)到消除熱損害和應(yīng)力損害的作用。其中，步驟S410為可選步驟，可以采用機(jī)械拋磨方法磨到聚晶金剛石表面露出， 此時(shí)可以在顯微鏡下觀察到聚晶金剛石本體表面的微細(xì)孔洞已被銅、銀、鋁填充。在具體實(shí) 施時(shí)，可采用型號(hào)為M7132的平面磨床，用M0/270的細(xì)粒度金剛石砂輪緩慢進(jìn)給磨去聚晶 金剛石本體表面大約0. 01毫米厚度，將該表面磨成光亮表面。如果在聚晶金剛石本體使用 時(shí)對(duì)外觀無(wú)要求，而更注重使用效果時(shí)，保留其表面的銅層是有利的。研究表明，聚晶金剛石本體表面去除鈷充入銅的深度越深，在實(shí)用中的效果越 好，從而聚晶金剛石的使用壽命越長(zhǎng)。但是去除鈷的深度超過(guò)0.5毫米后，去除鈷和充入 銅的速度都大大降低，這使得制造成本會(huì)大幅上升，據(jù)此，本發(fā)明實(shí)施例去除鈷的深度為 0. I-Imm,且優(yōu)先為0. 3-0. 5毫米。以下舉具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的表面改性的聚晶金剛石的加工方法進(jìn) 行詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例一
第一步、將聚晶金剛石本體的硬質(zhì)合金基體用防腐夾具包裹； 第二步、將聚晶金剛石本體在王水中煮沸，并在沸騰的王水中保持20-60小時(shí)，將聚晶 金剛石本體表面的鈷去除，去除深度為0. 3-0. 4毫米； 第三步、冷卻后將聚晶金剛石本體取出清洗至中性； 第四步、以1400轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的銅輪與聚晶金剛石本體表面接觸； 第五步、進(jìn)給0. 1-0. 4毫米進(jìn)行強(qiáng)力摩擦，使聚晶金剛石本體的表面被銅覆蓋； 第六步、用180號(hào)普通磨料砂布或砂紙打磨聚晶金剛石本體表面，去除多余的紫紅色 銅層，直到黑色的聚晶金剛石本體層表面露出。在具體實(shí)施時(shí)，在平面磨床上用紫銅金屬輪作磨輪，以1400轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的 銅輪與酸處理過(guò)的聚晶金剛石表面接觸后，再進(jìn)給0. 2毫米進(jìn)行強(qiáng)力摩擦，直到整個(gè)聚晶 金剛石的表面被銅層所覆蓋。實(shí)施例二
第一步、在聚晶金剛石本體的硬質(zhì)合金基體上涂布防腐涂料； 第二步、將聚晶金剛石本體在王水中煮沸，并在沸騰的王水中保持10-110小時(shí)，將聚 晶金剛石本體表面的鈷被去除，去除深度為0. 4-0. 6毫米； 第三步、將聚晶金剛石本體取出清洗至中性；
第四步、將聚晶金剛石本體置于銅模具中，以該模具為陰極，以硫酸銅溶液為電解液， 純銅板為陽(yáng)極，進(jìn)行電沉積；
第五步、用180號(hào)普通磨料砂布或砂紙打磨聚晶金剛石本體表面，去除多余的紫紅色 銅層，直到黑色的聚晶金剛石本體層表面露出。在鍍銅時(shí)，在電沉積裝置中，將聚晶金剛石本體置于銅模具中，以該模具為陰極， 以硫酸銅溶液為電解液，純銅板為陽(yáng)極，進(jìn)行電沉積。所述電解液由250g/L的硫酸銅 (CuSO4 ·5Η20)溶液和0. lg/L的聚乙二醇溶液組成；在具體實(shí)施時(shí)，將聚晶金剛石本體置于 該電解液中，并在常溫(即25°C)下，通以ΙΟΑ/dm的電流、以150r/min的速度攪拌、沉積20 小時(shí)進(jìn)行電沉積。實(shí)施例三
該實(shí)施例與第二實(shí)施例的不同之處僅在于，在第四步中采用化學(xué)鍍銅法在孔洞充入 銅。其中，化學(xué)鍍銅是在有催化活性物質(zhì)的表面，通過(guò)還原劑的作用，使銅離子還原析出，使 聚晶金剛石本體表面形成銅鍍層，其溶液為CuSO4溶液或者CuCL2。實(shí)施例四
該實(shí)施例與第二實(shí)施例的不同之處僅在于，在第四步中采用真空蒸鍍法將銅蒸發(fā)成蒸 汽，使聚晶金剛石本體表面鍍一層銅膜。綜上所述，本發(fā)明提供的一種表面改性的聚晶金剛石及其加工方法，采用了將聚 晶金剛石本體上的觸媒金屬去除，并將非觸媒金屬嵌入去除觸媒金屬后在聚晶金剛石表面 形成的孔洞中，從而消除了聚晶金剛石在高溫工作時(shí)的熱損害和應(yīng)力損害，延長(zhǎng)了聚晶金 剛石的使用壽命?？梢岳斫獾氖?，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā) 明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種表面改性的聚晶金剛石，包括聚晶金剛石本體，其特征在于，在所述聚晶金剛石 本體上設(shè)置有去除觸媒金屬后形成的孔洞，在所述孔洞中嵌置有非觸媒金屬。
2.如權(quán)利要求1所述表面改性的聚晶金剛石，其特征在于，所述非觸媒金屬為銅、銀、 鋁、或者銅、銀、鋁的合金。
3.如權(quán)利要求1所述表面改性的聚晶金剛石，其特征在于，所述孔洞的深度為 0.I-Imm0
4.一種如權(quán)利要求1所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其特征在于，包括將聚晶金剛石本體表面的觸媒金屬去除，并在聚晶金剛石本體表面形成孔洞；將非觸媒金屬嵌入所述孔洞中。
5.如權(quán)利要求4所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其特征在于，所述將聚晶金 剛石本體表面的觸媒金屬去除，并在聚晶金剛石本體表面形成孔洞的步驟具體包括將聚晶金剛石本體在王水中煮沸，并在沸騰的王水中保持20-60小時(shí)；將聚晶金剛石本體取出清洗至中性。
6.如權(quán)利要求5所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其特征在于，所述將非觸媒 金屬嵌入所述孔洞中的步驟具體包括以1400轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的銅輪與聚晶金剛石本體表面接觸；進(jìn)給0. 1-0. 4毫米進(jìn)行強(qiáng)力摩擦，使聚晶金剛石本體的表面被銅覆蓋。
7.如權(quán)利要求4所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其特征在于，將聚晶金剛石本體在王水中煮沸，并在沸騰的王水中保持10-110小時(shí)；將聚晶金剛石本體取出清洗至中性。
8.如權(quán)利要求7所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其特征在于，所述將非觸媒 金屬嵌入所述孔洞中的步驟具體包括將聚晶金剛石本體置于銅模具中，以該模具為陰極， 以硫酸銅溶液為電解液，純銅板為陽(yáng)極，進(jìn)行電沉積。
9.如權(quán)利要求4所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其特征在于，所述的非觸媒 金屬為銅、銀、鋁、或者銅、銀、鋁的合金。
10.如權(quán)利要求4至8任意一項(xiàng)所述表面改性的聚晶金剛石的加工方法，其特征在于， 所述孔洞的深度為0. 1-lmm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了表面改性的聚晶金剛石及其加工方法，其聚晶金剛石包括聚晶金剛石本體，在所述聚晶金剛石本體上設(shè)置有去除觸媒金屬后形成的孔洞，在所述孔洞中嵌置有非觸媒金屬。本發(fā)明提供的一種表面改性的聚晶金剛石及其加工方法，采用了將聚晶金剛石本體上的觸媒金屬去除，并將非觸媒金屬嵌入去除觸媒金屬后在聚晶金剛石表面形成的孔洞中的方法，從而消除了聚晶金剛石在高溫工作時(shí)的熱損害和應(yīng)力損害，延長(zhǎng)了聚晶金剛石的使用壽命。
文檔編號(hào)B28D1/00GK102126257SQ201110050119
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者孔利軍, 李尚劼 申請(qǐng)人:深圳市海明潤(rùn)實(shí)業(yè)有限公司