專利名稱：一種聚晶金剛石復合片及其制備方法
技術領域：
本發明涉及超硬材料技術領域，更具體的說，涉及一種聚晶金剛石復合片，本發明還涉及一種聚晶金剛石復合片的制備方法。
背景技術：
金剛石復合片是將金剛石粉末添加一定的結合劑并與硬質合金基體組裝在一起后，在專用金剛石液壓機上在超高壓高溫條件下燒結制得。它由一層多晶金剛石層和硬質合金基體構成。由于多晶金剛石層硬度高、耐磨性好，加上硬質合金基體的良好韌性和可焊性，使其在石油鉆探、地質鉆探及煤田開采應用中得到廣泛應用。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合片過程中，通常采用調節金剛石粒度的辦法來調整聚晶金剛石復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性能對金剛石微粉粒度粗細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，而要解決這對矛盾是很困難的。相對簡單的調節金剛石粒度來提高產品的抗沖擊韌性和耐磨性，將靠近硬質合金基體層設計成粗粒度金剛石，而靠近聚晶金剛石頂端設計成細粒度金剛石結構的聚晶金剛石復合片被認為是一種技術進步。該種結構的聚晶金剛石上端由細粒度金剛石構成切削刃，保證產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合片。但是，在實際鉆探應用過程中，雖然上端金剛石切削刃具有較高的耐磨性，但該細粒度聚晶層的抗沖擊韌性仍然不佳，工作過程中，頂端細粒度聚晶層容易破裂而失效，降低產品的使用壽命。而通過改變硬質合金基體和聚晶金剛石層結合界面的方式降低結合層的應力，雖然可以提高產品的性能。但是將界面采用臺階形、槽形或凸凹形等幾何形式聯結，并沒有改變聚晶金剛石層和硬質合金層兩種材料屬性的差異。經過高溫高壓合成后，反而容易在界面處出現高度的局部化的應力集中，這將導致具有突然失效的破裂產生，影響聚晶金剛石復合片的使用壽命。綜上所述，如何提供一種聚晶金剛石復合片及其制備方法，以提高聚晶金剛石復合片的耐磨性，進而延長其使用壽命，提高連續工作效率，是目前本技術領域技術人員亟待解決的技術問題。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種聚晶金剛石復合片及其制備方法，以提高聚晶金剛石復合片的耐磨性和抗沖擊耐性，進而延長其使用壽命，提高連續工作效率。為達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下
一種聚晶金剛石復合片，包括硬質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成的耐磨區域和由富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域，且所述少鈷聚晶金剛石顆粒散布在所述耐沖擊區域中。所述聚晶金剛石復合片的少鈷聚晶金剛石顆粒由粒徑為0.5 3μπι的金剛石微粉經充分燒結而成，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。所述聚晶金剛石復合片的富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域由粒徑為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成的耐沖擊區域中金屬鈷的質量百分含量為20% 40%。所述由少鈷聚晶金剛石顆粒構成的耐磨區域和由富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域的體積比為I 2。一種上述聚晶金剛石復合片的制備方法，包括如下步驟:I)將細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；2)將上述混合粉裝入材質為鋯、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，然后再裝入硬質合金基體，或者直接將硬質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；5)將上述經過真空處理后的金屬杯組件置于葉臘石中，放入高壓設備進行燒結；6)燒結完成后卸壓、冷卻，取出燒結好的聚晶金剛石復合片，并后續機加工到目標尺寸，至此完成所述聚晶金剛石復合片的制作。優選的，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量百分含量為85% 95%，鈷粉的質量百分含量為5% 15%。優選的，上述步驟5)中，燒結條件為:燒結壓力5000 6000MPa，燒結溫度1500-1600°C，燒結時間5-10分鐘。本發明的積極效果在于:本發明提供的聚晶金剛石復合片，其中由少鈷聚晶金剛石顆粒構成的耐磨區域由細粒度金剛石顆粒通過充分燒結得到，保證聚晶金剛石復合片具有極高的耐磨性，而富鈷聚晶金剛石區域由于鈷金屬含量高，具有極好的抗沖擊韌性。在使用本發明所提供產品的過程中，一方面，在整個聚晶金剛石層受到沖擊時，富鈷的聚晶金剛石耐沖擊區域可以吸收沖擊能量，避免少鈷聚晶金剛石構成的耐磨區域碎裂和整個聚晶金剛石層遭到破壞；另一方面，一旦耐磨區域出現裂紋，當裂紋擴展到耐沖擊區域后，裂紋前端應力可以得到釋放，防止裂紋繼續擴展，避免大范圍的聚晶金剛石破碎而失效。
圖1是本發明實施例提供的聚晶金剛石復合片的結構示意圖。圖1中:1.硬質合金基體層，2.聚晶金剛石層，3.少鈷聚晶金剛石顆粒，4.耐沖擊區域。圖2是本發明實施例提供的聚晶金剛石復合片的掃描電鏡圖。圖2中:深色區域為少鈷聚晶金剛石顆粒構成的耐磨區域，淺色區域為富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。請參閱附圖1所示，本發明實施例提供了一種聚晶金剛石復合片，包括硬質合金基體層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構成的耐磨區域和由富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域4，且所述少鈷聚晶金剛石顆粒3散布在所述耐沖擊區域4中。所述聚晶金剛石復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充分燒結而成，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。所述聚晶金剛石復合片的富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域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成的耐沖擊區域中金屬鈷的質量百分含量為30 % 35%。所述由少鈷聚晶金剛石顆粒構成的耐磨區域和由富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域的體積比為1.5。一種上述聚晶金剛石復合片的制備方法，包括如下步驟:I)將細粒徑為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量百分含量為85% 95%，鈷粉的質量百分含量為5% 15% ；2)將上述混合粉裝入材質為鋯、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；5)將上述經過真空處理后的金屬杯組件置于葉臘石中，放入高壓設備進行燒結，燒結條件為:燒結壓力5000 6000MPa，燒結溫度1500 1600°C，燒結時間5-10分鐘；6)燒結完成后卸壓、冷卻，取出燒結好的聚晶金剛石復合片，并后續機加工到目標尺寸，至此完成所述聚晶金剛石復合片的制作。在上述燒結過程中，燒結腔體具有溫度場梯度，金屬杯中靠近混合粉區域溫度高，靠近硬質合金基體端溫度低，所以混合粉中的鈷金屬粉比鈷金屬片或硬質合金基體中的鈷先熔化，而且混入的鈷粉粒度細，相對鈷金屬片或硬質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生反應，開始燒結。又由于混合粉中相對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生燒結。使得率先燒結的金剛石聚晶區域是以鈷粉為中心散布在整個聚晶金剛石層中，這即是少鈷聚晶金剛石顆粒構成的耐磨區域的雛形。隨著燒結時間的延長，鈷金屬片或硬質合金基體中的鈷也開始融化，并熔滲掃越整個聚晶金剛石層，早期未得到鈷粉熔化后鈷液相而未燒結的區域開始燒結。而率先燒結的聚晶金剛石區域因為金剛石微粉顆粒足夠細小，表面能量高，反應容易進行，此時已經基本完成燒結，率先燒結區域不再需要由鈷金屬片或硬質合金基體中的鈷熔化后鈷液相，使得鈷金屬片或硬質合金基體中的液相鈷在后燒結區域匯集，并且率先燒結區域將充分燒結后金剛石聚晶間隙的鈷相向外排出，使得后燒結的區域鈷進一步富集。由于鈷粉周圍的金剛石區域率先燒結，當后燒結的富鈷區域完成燒結時，率先燒結的區域已經充分燒結，率先完成燒結的金剛石空隙中的鈷相排出到后燒結區域后形成少鈷耐磨區域，而后燒結的區域由于金屬鈷液相匯集則形成富鈷區域。這就使得聚晶金剛石層由少鈷耐磨金剛石聚晶顆粒區域和富鈷耐沖擊金剛石聚晶區域組成。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域中，將富鈷耐沖擊金剛石聚晶分隔成空間網狀結構。
權利要求
1.一種聚晶金剛石復合片，包括硬質合金基體層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)構成的耐磨區域和由富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域(4)，且所述少鈷聚晶金剛石顆粒(3)散布在所述耐沖擊區域(4)中。
2.根據權利要求1所述的一種聚晶金剛石復合片，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的金剛石微粉經充分燒結而成。
3.根據權利要求1所述的一種聚晶金剛石復合片，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，其中金屬鈷的質量百分含量為2% 7%。
4.根據權利要求1所述的一種聚晶金剛石復合片，其特征在于:所述聚晶金剛石復合片的富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域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成的耐沖擊區域(4)中金屬鈷的質量百分含量為20% 40%。
5.根據權利要求1所述的一種聚晶金剛石復合片，其特征在于:所述由少鈷聚晶金剛石顆粒(3)構成的耐磨區域和由富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域(4)的體積比為I 2。
6.一種權利要求1所述的聚晶金剛石復合片的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將細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； 2)將上述混合粉裝入材質為鋯、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，然后再裝入硬質合金基體，或者直接將硬質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； 5)將上述經過真空處理后的金屬杯組件置于葉臘石中，放入高壓設備進行燒結； 6)燒結完成后卸壓、冷卻，取出燒結好的聚晶金剛石復合片，并后續機加工到目標尺寸，至此完成所述聚晶金剛石復合片的制作。
7.根據權利要求6所述的一種聚晶金剛石復合片的制作方法，其特征在于:步驟I)中，金剛石微粉粒徑為0.5 3 μ m。
8.根據權利要求6或7所述的一種聚晶金剛石復合片的制作方法，其特征在于:步驟I)中，所述混合粉中金剛石微粉的質量百分含量為85% 95%，鈷粉的質量百分含量為5% 15%。
9.根據權利要求6所述的一種聚晶金剛石復合片的制作方法，其特征在于:步驟5)中，所述燒結的燒結條件為:燒結壓力5000 6000MPa，燒結溫度1500 1600°C，燒結時間5 10分鐘。
全文摘要
本發明提供了一種聚晶金剛石復合片及其制備方法，以提高聚晶金剛石復合片的耐磨性和抗沖擊耐性，進而延長其使用壽命，提高連續工作效率。為達到上述目的，本發明所采用的技術方案為一種聚晶金剛石復合片，包括硬質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成的耐磨區域和由富鈷聚晶金剛石構成的耐沖擊區域，且所述少鈷聚晶金剛石顆粒散布在所述耐沖擊區域中。本發明提供的聚晶金剛石復合片，其中由少鈷聚晶金剛石顆粒構成的耐磨區域由細粒度金剛石顆粒通過充分燒結得到，保證聚晶金剛石復合片具有極高的耐磨性，而富鈷聚晶金剛石區域由于鈷金屬含量高，具有極好的抗沖擊韌性。
文檔編號B32B9/00GK103072332SQ201210576590
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者孔利軍, 王堃, 劉春華 申請人:深圳市海明潤實業有限公司