專利名稱：一種聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超硬材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，涉及一種聚晶金剛石復(fù)合片，本發(fā)明還涉及一種聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法。
背景技術(shù)：
金剛石復(fù)合片是將金剛石粉末添加一定的結(jié)合劑并與硬質(zhì)合金基體組裝在一起后，在專用金剛石液壓機(jī)上在超高壓高溫條件下燒結(jié)制得。它由一層多晶金剛石層和硬質(zhì)合金基體構(gòu)成。由于多晶金剛石層硬度高、耐磨性好，加上硬質(zhì)合金基體的良好韌性和可焊性，使其在石油鉆探、地質(zhì)鉆探及煤田開采應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。一種高性能的聚晶金剛石必須具有很高的耐磨性和很好的抗沖韌性。目前，在制作聚晶金剛石復(fù)合片過(guò)程中，通常采用調(diào)節(jié)金剛石粒度的辦法來(lái)調(diào)整聚晶金剛石復(fù)合片的耐磨性和抗沖擊韌性，但提高抗沖擊韌性和耐磨性這兩項(xiàng)性能對(duì)金剛石微粉粒度粗細(xì)的要求是相互矛盾的，前者要求增大金剛石微粉的粒度，后者要求減小金剛石微粉的粒度，而要解決這對(duì)矛盾是很困難的。相對(duì)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)金剛石粒度來(lái)提高產(chǎn)品的抗沖擊韌性和耐磨性，將靠近硬質(zhì)合金基體層設(shè)計(jì)成粗粒度金剛石，而靠近聚晶金剛石頂端設(shè)計(jì)成細(xì)粒度金剛石結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石復(fù)合片被認(rèn)為是一種技術(shù)進(jìn)步。該種結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石上端由細(xì)粒度金剛石構(gòu)成切削刃，保證產(chǎn)品具有較高的耐磨性，而靠近硬著合金基體端的金剛石聚晶層由粗顆粒金剛石組成，使得產(chǎn)品具有較好的抗沖擊韌性。該方法可以制得較高綜合性能的聚晶金剛石復(fù)合片。但是，在實(shí)際鉆探應(yīng)用過(guò)程中，雖然上端金剛石切削刃具有較高的耐磨性，但該細(xì)粒度聚晶層的抗沖擊韌性仍然不佳，工作過(guò)程中，頂端細(xì)粒度聚晶層容易破裂而失效，降低產(chǎn)品的使用壽命。而通過(guò)改變硬質(zhì)合金基體和聚晶金剛石層結(jié)合界面的方式降低結(jié)合層的應(yīng)力，雖然可以提高產(chǎn)品的性能。但是將界面采用臺(tái)階形、槽形或凸凹形等幾何形式聯(lián)結(jié)，并沒有改變聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金層兩種材料屬性的差異。經(jīng)過(guò)高溫高壓合成后，反而容易在界面處出現(xiàn)高度的局部化的應(yīng)力集中，這將導(dǎo)致具有突然失效的破裂產(chǎn)生，影響聚晶金剛石復(fù)合片的使用壽命。綜上所述，如何提供一種聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法，以提高聚晶金剛石復(fù)合片的耐磨性，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命，提高連續(xù)工作效率，是目前本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法，以提高聚晶金剛石復(fù)合片的耐磨性和抗沖擊耐性，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命，提高連續(xù)工作效率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
一種聚晶金剛石復(fù)合片，包括硬質(zhì)合金基體層和聚晶金剛石層；其中，所述聚晶金剛石層包括由少鈷聚晶金剛石顆粒構(gòu)成的耐磨區(qū)域和由富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域，且所述少鈷聚晶金剛石顆粒散布在所述耐沖擊區(qū)域中。所述聚晶金剛石復(fù)合片的少鈷聚晶金剛石顆粒由粒徑為0.5 3μπι的金剛石微粉經(jīng)充分燒結(jié)而成，該少鈷聚晶金剛石顆粒的粒徑為5 20 μ m，其中金屬鈷的質(zhì)量百分含量為2% 7%，該少鉆聚晶金剛石顆粒相鄰顆粒間的間距為O 20 μ m。所述聚晶金剛石復(fù)合片的富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域由粒徑為0.5
3μ m的金剛石微粉和鈷金屬相組成，該富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域中金屬鈷的質(zhì)量百分含量為20% 40%。所述由少鈷聚晶金剛石顆粒構(gòu)成的耐磨區(qū)域和由富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域的體積比為I 2。一種上述聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，包括如下步驟:I)將細(xì)粒徑的金剛石微粉與相近粒度的鈷粉混合均勻獲得混合粉，且保證所加入的鈷粉量不能滿足混合粉的完全燒結(jié)；2)將上述混合粉裝入材質(zhì)為鋯、鑰或鈮的金屬杯中；3)在金屬杯中的混合粉上方放置鈷金屬片，然后再裝入硬質(zhì)合金基體，或者直接將硬質(zhì)合金基體裝入到金屬杯中的混合粉上方；4)將上述裝配好的金屬杯組件在500 700°C下真空處理2 10小時(shí)；5)將上述經(jīng)過(guò)真空處理后的金屬杯組件置于葉臘石中，放入高壓設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)；6)燒結(jié)完成后卸壓、冷卻，取出燒結(jié)好的聚晶金剛石復(fù)合片，并后續(xù)機(jī)加工到目標(biāo)尺寸，至此完成所述聚晶金剛石復(fù)合片的制作。優(yōu)選的，上述步驟I)中，金剛石微粉粒徑為0.5 3 μ m，所述混合粉中金剛石微粉的質(zhì)量百分含量為85% 95%，鈷粉的質(zhì)量百分含量為5% 15%。優(yōu)選的，上述步驟5)中，燒結(jié)條件為:燒結(jié)壓力5000 6000MPa，燒結(jié)溫度1500-1600°C，燒結(jié)時(shí)間5-10分鐘。本發(fā)明的積極效果在于:本發(fā)明提供的聚晶金剛石復(fù)合片，其中由少鈷聚晶金剛石顆粒構(gòu)成的耐磨區(qū)域由細(xì)粒度金剛石顆粒通過(guò)充分燒結(jié)得到，保證聚晶金剛石復(fù)合片具有極高的耐磨性，而富鈷聚晶金剛石區(qū)域由于鈷金屬含量高，具有極好的抗沖擊韌性。在使用本發(fā)明所提供產(chǎn)品的過(guò)程中，一方面，在整個(gè)聚晶金剛石層受到?jīng)_擊時(shí)，富鈷的聚晶金剛石耐沖擊區(qū)域可以吸收沖擊能量，避免少鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐磨區(qū)域碎裂和整個(gè)聚晶金剛石層遭到破壞；另一方面，一旦耐磨區(qū)域出現(xiàn)裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到耐沖擊區(qū)域后，裂紋前端應(yīng)力可以得到釋放，防止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，避免大范圍的聚晶金剛石破碎而失效。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的聚晶金剛石復(fù)合片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中:1.硬質(zhì)合金基體層，2.聚晶金剛石層，3.少鈷聚晶金剛石顆粒，4.耐沖擊區(qū)域。圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的聚晶金剛石復(fù)合片的掃描電鏡圖。圖2中:深色區(qū)域?yàn)樯兮捑劬Ы饎偸w粒構(gòu)成的耐磨區(qū)域，淺色區(qū)域?yàn)楦烩捑劬Ы饎偸瘶?gòu)成的耐沖擊區(qū)域。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。請(qǐng)參閱附圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種聚晶金剛石復(fù)合片，包括硬質(zhì)合金基體層I和聚晶金剛石層2 ;其中，所述聚晶金剛石層2包括由少鈷聚晶金剛石顆粒3構(gòu)成的耐磨區(qū)域和由富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域4，且所述少鈷聚晶金剛石顆粒3散布在所述耐沖擊區(qū)域4中。所述聚晶金剛石復(fù)合片的少鈷聚晶金剛石顆粒3由粒徑為0.9 1.5μπι的金剛石微粉與金屬鈷粉混合均勻后經(jīng)充分燒結(jié)而成，該少鈷聚晶金剛石顆粒的粒徑為5 20μπι，其中金屬鈷的質(zhì)量百分含量為4% 5%，該少鈷聚晶金剛石顆粒相鄰顆粒間的間距為O 20 μ m。所述聚晶金剛石復(fù)合片的富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域4由粒徑為0.9 1.5 μ m的金剛石顆粒和鈷金屬相組成，該富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域中金屬鈷的質(zhì)量百分含量為30 % 35%。所述由少鈷聚晶金剛石顆粒構(gòu)成的耐磨區(qū)域和由富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域的體積比為1.5。一種上述聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，包括如下步驟:I)將細(xì)粒徑為0.9 1.5μπι的金剛石微粉與相近粒度的鈷粉混合均勻獲得混合粉，混合粉中金剛石微粉的質(zhì)量百分含量為85% 95%，鈷粉的質(zhì)量百分含量為5% 15% ；2)將上述混合粉裝入材質(zhì)為鋯、鑰或鈮的金屬杯中；3)在金屬杯中的混合粉上方放置鈷金屬片，然后再裝入硬質(zhì)合金基體；4)將上述裝配好的金屬杯組件在500 700°C下真空處理2 10小時(shí)；5)將上述經(jīng)過(guò)真空處理后的金屬杯組件置于葉臘石中，放入高壓設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)條件為:燒結(jié)壓力5000 6000MPa，燒結(jié)溫度1500 1600°C，燒結(jié)時(shí)間5-10分鐘；6)燒結(jié)完成后卸壓、冷卻，取出燒結(jié)好的聚晶金剛石復(fù)合片，并后續(xù)機(jī)加工到目標(biāo)尺寸，至此完成所述聚晶金剛石復(fù)合片的制作。在上述燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)腔體具有溫度場(chǎng)梯度，金屬杯中靠近混合粉區(qū)域溫度高，靠近硬質(zhì)合金基體端溫度低，所以混合粉中的鈷金屬粉比鈷金屬片或硬質(zhì)合金基體中的鈷先熔化，而且混入的鈷粉粒度細(xì)，相對(duì)鈷金屬片或硬質(zhì)合金基體中的鈷更容易熔化。這就使得鈷粉顆粒附近的金剛石率先與鈷粉熔化后的鈷液發(fā)生反應(yīng)，開始燒結(jié)。又由于混合粉中相對(duì)于金剛石微粉所添加的鈷粉是不足量的，鈷粉熔化后只能滿足其周邊附近的金剛石微粉發(fā)生燒結(jié)。使得率先燒結(jié)的金剛石聚晶區(qū)域是以鈷粉為中心散布在整個(gè)聚晶金剛石層中，這即是少鈷聚晶金剛石顆粒構(gòu)成的耐磨區(qū)域的雛形。隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，鈷金屬片或硬質(zhì)合金基體中的鈷也開始融化，并熔滲掃越整個(gè)聚晶金剛石層，早期未得到鈷粉熔化后鈷液相而未燒結(jié)的區(qū)域開始燒結(jié)。而率先燒結(jié)的聚晶金剛石區(qū)域因?yàn)榻饎偸⒎垲w粒足夠細(xì)小，表面能量高，反應(yīng)容易進(jìn)行，此時(shí)已經(jīng)基本完成燒結(jié)，率先燒結(jié)區(qū)域不再需要由鈷金屬片或硬質(zhì)合金基體中的鈷熔化后鈷液相，使得鈷金屬片或硬質(zhì)合金基體中的液相鈷在后燒結(jié)區(qū)域匯集，并且率先燒結(jié)區(qū)域?qū)⒊浞譄Y(jié)后金剛石聚晶間隙的鈷相向外排出，使得后燒結(jié)的區(qū)域鈷進(jìn)一步富集。由于鈷粉周圍的金剛石區(qū)域率先燒結(jié)，當(dāng)后燒結(jié)的富鈷區(qū)域完成燒結(jié)時(shí)，率先燒結(jié)的區(qū)域已經(jīng)充分燒結(jié)，率先完成燒結(jié)的金剛石空隙中的鈷相排出到后燒結(jié)區(qū)域后形成少鈷耐磨區(qū)域，而后燒結(jié)的區(qū)域由于金屬鈷液相匯集則形成富鈷區(qū)域。這就使得聚晶金剛石層由少鈷耐磨金剛石聚晶顆粒區(qū)域和富鈷耐沖擊金剛石聚晶區(qū)域組成。其中少鈷耐磨金剛石聚晶顆粒散布在富鈷耐沖擊金剛石聚晶區(qū)域中，將富鈷耐沖擊金剛石聚晶分隔成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種聚晶金剛石復(fù)合片，包括硬質(zhì)合金基體層⑴和聚晶金剛石層⑵；其中，所述聚晶金剛石層(2)包括由少鈷聚晶金剛石顆粒(3)構(gòu)成的耐磨區(qū)域和由富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域(4)，且所述少鈷聚晶金剛石顆粒(3)散布在所述耐沖擊區(qū)域(4)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于:所述少鈷聚晶金剛石顆粒(3)由粒徑為0.5 3 μ m的金剛石微粉經(jīng)充分燒結(jié)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于:所述少鈷聚晶金剛石顆粒(3)的粒徑為5 20 μ m，其中金屬鈷的質(zhì)量百分含量為2% 7%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于:所述聚晶金剛石復(fù)合片的富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域⑷由粒徑為0.5 3μπι的金剛石微粉和鈷金屬相組成，該富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域(4)中金屬鈷的質(zhì)量百分含量為20% 40%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于:所述由少鈷聚晶金剛石顆粒(3)構(gòu)成的耐磨區(qū)域和由富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域(4)的體積比為I 2。
6.一種權(quán)利要求1所述的聚晶金剛石復(fù)合片的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將細(xì)粒徑的金剛石微粉與相近粒度的鈷粉混合均勻獲得混合粉，且保證所加入的鈷粉量不能滿足混合粉的完全燒結(jié)； 2)將上述混合粉裝入材質(zhì)為鋯、鑰或鈮的金屬杯中； 3)在金屬杯中的混合粉上方放置鈷金屬片，然后再裝入硬質(zhì)合金基體，或者直接將硬質(zhì)合金基體裝入到金屬杯中的混合粉上方； 4)將上述裝配好的金屬杯組件在500 700°C下真空處理2 10小時(shí)； 5)將上述經(jīng)過(guò)真空處理后的金屬杯組件置于葉臘石中，放入高壓設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)； 6)燒結(jié)完成后卸壓、冷卻，取出燒結(jié)好的聚晶金剛石復(fù)合片，并后續(xù)機(jī)加工到目標(biāo)尺寸，至此完成所述聚晶金剛石復(fù)合片的制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種聚晶金剛石復(fù)合片的制作方法，其特征在于:步驟I)中，金剛石微粉粒徑為0.5 3 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種聚晶金剛石復(fù)合片的制作方法，其特征在于:步驟I)中，所述混合粉中金剛石微粉的質(zhì)量百分含量為85% 95%，鈷粉的質(zhì)量百分含量為5% 15%。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種聚晶金剛石復(fù)合片的制作方法，其特征在于:步驟5)中，所述燒結(jié)的燒結(jié)條件為:燒結(jié)壓力5000 6000MPa，燒結(jié)溫度1500 1600°C，燒結(jié)時(shí)間5 10分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法，以提高聚晶金剛石復(fù)合片的耐磨性和抗沖擊耐性，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命，提高連續(xù)工作效率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種聚晶金剛石復(fù)合片，包括硬質(zhì)合金基體層和聚晶金剛石層；其中，所述聚晶金剛石層包括由少鈷聚晶金剛石顆粒構(gòu)成的耐磨區(qū)域和由富鈷聚晶金剛石構(gòu)成的耐沖擊區(qū)域，且所述少鈷聚晶金剛石顆粒散布在所述耐沖擊區(qū)域中。本發(fā)明提供的聚晶金剛石復(fù)合片，其中由少鈷聚晶金剛石顆粒構(gòu)成的耐磨區(qū)域由細(xì)粒度金剛石顆粒通過(guò)充分燒結(jié)得到，保證聚晶金剛石復(fù)合片具有極高的耐磨性，而富鈷聚晶金剛石區(qū)域由于鈷金屬含量高，具有極好的抗沖擊韌性。
文檔編號(hào)B32B9/00GK103072332SQ201210576590
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者孔利軍, 王堃, 劉春華 申請(qǐng)人:深圳市海明潤(rùn)實(shí)業(yè)有限公司