夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片及其制備方法和所用結(jié)合劑的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合刀具材料領(lǐng)域，具體涉及一種夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片及其制備方法和所使用的結(jié)合劑，其可用于有色金屬和難加工非金屬材料的切削加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石聚晶復(fù)合片是一種金剛石和硬質(zhì)合金組成的復(fù)合材料，由于它具有金剛石硬度高和耐磨性好的特點，同時又兼具硬質(zhì)合金抗沖擊性能強和可焊性好的特點，因而被廣泛應(yīng)用于石油鉆井、地質(zhì)勘探、煤田鉆采的鉆頭和機械加工工具等行業(yè)。傳統(tǒng)的金剛石聚晶復(fù)合片，一般由兩層結(jié)構(gòu)組成，一層是硬質(zhì)合金基體，另一層是附著于硬質(zhì)合金基體上的金剛石聚晶層。在實際應(yīng)用過程中，用這類復(fù)合片制成鉆頭鉆進時，由于受各種沖擊力的作用，金剛石聚晶層往往容易崩刃，大大降低了復(fù)合片應(yīng)有的使用壽命，甚至造成金剛石聚晶層嚴(yán)重受損，以致報廢。因此，如何提高復(fù)合片金剛石聚晶層的抗沖擊韌性，最大限度地降低甚至避免使用時崩刃情況的發(fā)生，是提高復(fù)合片鉆進性能的關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有較高抗沖擊韌性和良好耐磨性特點的夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片，同時提供一種該復(fù)合片的制備方法和一種生產(chǎn)該復(fù)合片所使用的納米金屬結(jié)合劑。
[0004]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是:一種夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片，包括上、下層的硬質(zhì)合金基體和中間層的金剛石聚晶層，三者經(jīng)過高溫高壓燒結(jié)而相互復(fù)合形成一種三層材料的超硬復(fù)合材料。
[0005]一種使上述夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片具有較高抗沖擊韌性和良好耐磨性特點的納米金屬結(jié)合劑，由下述重量百分含量的原料組成:Co粉97?99%、Ni粉0.78?1.8%,TaC粉 0.2 ?0.7%、B 粉 0.02 ?0.5%。
[0006]該結(jié)合劑的各原料以使用分析純?yōu)榧?，TaC粉和B粉粒徑在20?30nm、Ni粉和Co粉粒徑在30?40nm時效果較好，更利于增強夾心式金剛石聚晶復(fù)合片的沖擊韌性、耐磨性能和耐熱性。
[0007]上述夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片的金剛石聚晶層由下述重量百分含量的原料組成:金剛石粉92?96%和上述納米金屬結(jié)合劑4?8%，
所述金剛石粉的粒徑為2?lOMffl。
[0008]上述夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片的硬質(zhì)合金基體由下述重量百分含量的原料組成:WC 粉 89.5 ?91%、NbC 粉 0.5 ?1% 和 Co 粉 8.5 ?9.5%。
[0009]上述原料配方的金剛石聚晶層和硬質(zhì)合金基體有利于增加夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片的耐磨性能，延長使用壽命。其中，WC粉的粒徑在2?2.5Mm,NbC粉和Co粉的粒徑在
1.0?1.2Mm之間時效果較好。本申請的硬質(zhì)合金基體采用本領(lǐng)域的常規(guī)方法預(yù)先制備即可。
[0010]上述夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片的制備方法，包括如下步驟:
1)凈化與還原處理:將金剛石粉先用20?30%的氫氧化鈉水溶液煮沸30?40min，用去離子水洗滌至中性，用硫酸和硝酸體積比為1:1的混酸溶液煮沸20?30min，并用去離子水洗滌至中性，然后再用鹽酸與硝酸體積比例為1: 1混合溶液煮沸20?30min，并再用去離子水洗滌至中性，備用；將納米金屬結(jié)合劑在氫氣還原爐中于800?850°C溫度下還原處理1.5?3h，備用；
2)混料:按比例稱取處理過的金剛石粉和納米金屬結(jié)合劑，放入三維混料機內(nèi)進行預(yù)混，三維混料機轉(zhuǎn)速為:100土 10 r/min,三維混料時間:15±5小時；然后將三維混好的料，再用行星式球磨機進行濕混，料與硬質(zhì)合金球重量比1: 4?5;從球磨罐端部接口處加入無水乙醇和液體石蠟，液體石蠟與無水乙醇的體積比為1: 1000，無水乙醇和液體石蠟的總體積與料和硬質(zhì)合金球的總體積之比為1: 1?1.5 ;行星式球磨機參數(shù):公轉(zhuǎn):50±5r/min,自轉(zhuǎn):110±5 r/min，球磨時間:10±5小時；
3)復(fù)合體組裝與真空處理:先將下層硬質(zhì)合金基體放入圓柱形鉭杯內(nèi)，倒入混合好的金剛石粉和納米金屬結(jié)合劑并刮平，然后放入上層硬質(zhì)合金基體并扣上鉭杯蓋得復(fù)合體組件；將復(fù)合體組件置于真空燒結(jié)爐中，真空狀態(tài)下按每個復(fù)合體組件1?1.5升氫氣的比例通入一定量的氫氣，在不大于3X 10_4Pa的真空條件下于850?900°C保溫2.5?3.5小時；
4)高溫高壓燒結(jié):將真空處理過的復(fù)合體組件置于合成組裝塊內(nèi)，用六面頂壓機在溫度為1420±50°C、壓力為6?7GPa的條件下合成40?50min，即得本申請的夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片。
[0011]本方法中使用六面頂壓機合成設(shè)備通過上下頂錘加熱實現(xiàn)復(fù)合片高溫高壓燒結(jié)。
[0012]本發(fā)明的夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片，是由三層材料組成的復(fù)合超硬材料，其金剛石聚晶層兩面均設(shè)置一層硬質(zhì)合金材料，起到了保護層作用，大大改善了復(fù)合片金剛石聚晶層鉆進時的受力狀況，使其不易崩刃。
[0013]在金剛石聚晶層配方設(shè)計中，采用了上述納米金屬結(jié)合劑，突破了金剛石復(fù)合片高耐磨性和高抗沖擊韌性的技術(shù)瓶頸，與現(xiàn)有的聚晶金剛石復(fù)合片相比:磨耗比由20?25萬提高到26?30萬，抗沖擊韌性由40?50焦耳提高到60?65 ;熱穩(wěn)定性:在750°C焙燒2分鐘以后，磨耗比由15?20萬提高到24?28萬，抗沖擊韌性由40?50焦耳提高到58?64，產(chǎn)品的磨耗比焙燒前后變化不大。本申請的納米金屬結(jié)合劑在高溫高壓下有助于燒結(jié)而提高金剛石之間(D-D鍵)的成鍵密度，具有較好的燒結(jié)促進作用，有利于形成強韌的燒結(jié)體，增加了夾心式金剛石聚晶復(fù)合片的抗沖擊韌性、耐磨性能和耐熱性。
[0014]本發(fā)明的制備方法中，采用特定的堿洗溶液和酸洗溶液，對金剛石粉進行堿洗和酸洗，并結(jié)合1:1體積比的鹽酸與硝酸溶液，使金剛石粉得到充分地凈化，通過采用三維混料與球磨濕式混料相結(jié)合的方法，依據(jù)金剛石聚晶層原料組成和粒度分布，通過對混料機參數(shù)調(diào)整，確定最佳工藝范圍，同時，添加了液體石蠟材料，減少了粘結(jié)相和金剛石顆粒的富集或偏析現(xiàn)象的發(fā)生，進一步提高混料效果，使納米金屬結(jié)合劑與金剛石粉充分混合，使復(fù)合片產(chǎn)品的均勻一致性得到進一步改善和提高。依據(jù)金剛石粉的粒度分布特點，采用高溫長時間的真空處理工藝，通過確定最佳工藝范圍，并在真空狀態(tài)下通入了一定量的氫氣，利用氫氣的還原作用使結(jié)合劑表面活性增加，使金剛石顆粒表面得到了充分“凈化、活化”，大量吸附的氧等雜質(zhì)被解吸而泵出金剛石料層外，通過提高其化學(xué)作用活性而提高金剛石間的結(jié)合強度，從而提高該金剛石聚晶復(fù)合片的強度、韌性、耐磨性和耐熱性等整體性能。
【具體實施方式】
[0015]以下通過優(yōu)選實施例對本發(fā)明工藝作進一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此。
[0016]實施例1
一種夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片，依次包括上層硬質(zhì)合金基體、中間層的金剛石聚晶層和下層硬質(zhì)合金基體，三者經(jīng)過高溫高壓燒結(jié)相互復(fù)合而成。
[0017]一種使該夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片具有較高抗沖擊韌性和良好耐磨性特點的納米金屬結(jié)合劑，由下述重量百分含量的原料組成:Co粉97%、Ni粉1.8%、TaC粉0.7%、B粉0.5%。該結(jié)合劑的各原料以使用分析純?yōu)榧眩琓aC粉和B粉粒徑為20?30nm，Ni粉和Co粉粒徑為30?40nm，利于增強夾心式金剛石聚晶復(fù)合片的沖擊韌性、耐磨性能和耐熱性。
[0018]該夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片的金剛石聚晶層由下述重量百分含量的原料組成:粒徑為2?10Mm的金剛石粉92%和上述的納米金屬結(jié)合劑8%。
[0019]該夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片的硬質(zhì)合金基體由下述重量百分含量的原料組成:WC粉89.5%、NbC粉1%和Co粉9.5%。其中，WC粉的粒徑為2?2.5Mm, NbC粉和Co粉的粒徑為1.0?1.2Mm，硬質(zhì)合金基體采用本領(lǐng)域的常規(guī)方法預(yù)先制備。
[0020]上述夾芯式金剛石聚晶復(fù)合片的制備方法，包括如下步驟:
1)凈化與還原處理:將金剛石粉先用20%的氫氧化鈉水