一種聚晶金剛石-硬質合金復合片及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有更好熱穩(wěn)定性的聚晶金剛石-硬質合金復合片及其制備方法，屬于超硬材料技術領域。
【背景技術】
[0002]聚晶金剛石-硬質合金復合片是由硬質合金基片和聚晶金剛石層構成，它除了具備較強的耐磨性和抗沖擊性外，還應具有較好的高溫熱穩(wěn)定性。在使用過程中，引起復合片失效的原因有很多。僅從熱失效的角度來講，引起復合片熱失效的主要原因有以下兩個:一是由于金剛石與燒結助劑鈷的熱膨脹系數(shù)不匹配，當溫度劇烈變化時，鈷的膨脹將大大超過金剛石，從而在金剛石和鈷的結合部產(chǎn)生局部的形變應力，進而產(chǎn)生微裂紋，造成微區(qū)或宏觀的斷裂；二是由于高溫下燒結助劑鈷對金剛石石墨化的催化作用，使得與鈷表面接觸的金剛石轉化為石墨，從而極大地降低了金剛石和金剛石之間的價鍵力，也會引起裂紋。
[0003]為了提高復合片的熱穩(wěn)定性，2001年美國ReedHycalog公司推出了商標號為TREX的熱穩(wěn)定復合片并申請了專利，TREX復合片的關鍵技術就是將復合片表面的鈷通過酸腐蝕等方式溶解去除，使其工作壽命大大提高。但這種脫鈷復合片熱穩(wěn)定層厚度只有0.1-0.4mm，熱穩(wěn)定作用有限；并且脫鈷速度慢，單片需要24小時以上，基體容易被腐蝕。還存在一些其它處理方式的熱穩(wěn)定復合片，包括表面金剛石不用鈷作為粘結劑，而是使用Si或堿金屬碳酸鹽代替，或用去除鈷的金剛石層直接焊接到普通復合片表面，但這些方法也都存在各種問題:比如Si與鈷結合不好、需要更高的壓力和溫度導致成本高昂、焊接強度不高等問題。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有技術存在的不足而提供一種具有更好熱穩(wěn)定性的聚晶金剛石-硬質合金復合片及其制備方法。
[0005]本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為:包括硬質合金基片和聚晶金剛石層，其特征在于所述的聚晶金剛石層中至少一部分是由鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種能夠與金剛石反應形成碳化物、并且熱膨脹系數(shù)與金剛石接近的材料作為粘接劑，將金剛石粉高壓燒結而成。
[0006]按上述方案，所述的聚晶金剛石層可以是單層相同的配方，也可以是2層或多層不同的配方。
[0007]按上述方案，所述的聚晶金剛石層的表層含有30~70%重量比的鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種材料。
[0008]按上述方案，所述的聚晶金剛石層與硬質合金基片之間設有聚晶金剛石過渡層，所述的聚晶金剛石層的過渡層含有0~50%重量比的鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種材料。
[0009]按上述方案，所述的聚晶金剛石層的總厚度為0.5~6mm。
[0010]按上述方案，所述的聚晶金剛石層的表層中至少一部分金剛石顆粒之間是通過金剛石-X的碳化物-X- X的碳化物-金剛石的形式連接起來(X為鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種材料)。剩余的部分金剛石則是通過鈷的催化作用直接成鍵連接。
[0011]按上述方案，所述的聚晶金剛石層為一層或多層，所述的聚晶金剛石層包覆在硬質合金基片的一個或多個表面。
[0012]本發(fā)明復合片制備方法的技術方案為:在金剛石粉料中預先添加不同含量的鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種材料，采用制作成型的硬質合金基體，用機械靜壓壓緊的方式進行粉料組裝，采用合成模，在高溫高壓下進行燒結，獲得聚晶金剛石-硬質合金復合片，燒結溫度為1300~1600°C，燒結壓力為5~10Gpa。
[0013]按上述方案，通過分層投料一次燒結方式形成單層或多層結構的聚晶金剛石表層以及聚晶金剛石過渡層。
[0014]按上述方案，所述的高溫高壓燒結時間為0.5-30分鐘。
[0015]按上述方案，所述的合成模由葉臘石、導電鋼圈及傳壓零件組裝而成。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于:1、本發(fā)明從復合片熱失效原理出發(fā)，用鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種材料代替部分鈷作為金剛石復合層的粘結劑。由于鎢、錸、鉻、鈦的熱膨脹系數(shù)均低于鈷，與金剛石的熱膨脹系數(shù)更為接近和匹配，聚晶層受熱膨脹時與金剛石之間的膨脹差異小，可以大大減輕聚晶層熱裂紋損傷；2、由于鎢、錸、鉻、鈦的碳化物均不會使金剛石在受熱時發(fā)生石墨化，也改善了聚晶層的熱穩(wěn)定性。預先加入的鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種材料的含量越高，進入金剛石層的鈷越少，熱穩(wěn)定性越好，但常溫下的耐磨性也會越低，可以根據(jù)使用需求設計最佳的添加量；3、通過分層投料一次燒結方式形成單層或多層結構的聚晶金剛石表層以及聚晶金剛石過渡層，可根據(jù)需要調節(jié)原鈷體系聚晶金剛石的耐磨性，以及本發(fā)明體系聚晶金剛石的熱穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明一個實施例的分層結構示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明另一個實施例的分層結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]以下通過實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0020]實施例1:在1.8克平均粒度為20微米的金剛石粉末中加入1.2克平均粒度1.5微米的鎢粉，在瑪瑙研磨缽中研磨I小時，然后將混合粉末裝入直徑約20mm的鉬杯中，上面再插入一個鈷含量13%的硬質合金基片，上部再用另一個鉬杯扣合。將以上合成模裝入六面頂壓機在1500°C和6Gpa壓力條件下燒結10分鐘，使金剛石與硬質合金基片燒結為一個整體的復合片，即在硬質合金基片上形成有一層聚晶金剛石表層，如圖1所示，取出復合片加工為直徑19.05mm、高度16mm的圓柱體，聚晶金剛石表層厚度為2mm，倒角0.3X45°。用該復合片車削一定體積的花崗巖，車削時不使用水冷卻，因此車削時的溫度較高。稱量出復合片和花崗巖磨損的重量，計算出磨耗比G=花崗巖磨損重量/復合片磨損重量=98萬。在同樣條件下用相同配方和工藝的直徑為19.05mm、高度16mm、金剛石厚度2mm、以鈷作為粘結劑的復合片車削花崗巖，得到的磨耗比為50萬，可見本發(fā)明在高溫或無冷卻介質工況下的工作性能優(yōu)于以鈷作為粘結劑的復合片。
[0021]實施例2:加工方法與實例I基本相同，但金剛石復合層有聚晶金剛石表層和聚晶金剛石過渡層，其中表層含60%重量比的金剛石粉和40%重量比的鎢粉，過渡層為純金剛石粉，分層投料，如圖2所示，燒結時硬質合金基片中的鈷滲透進入過渡層純金剛石粉，使金剛石微粉之間生長成鍵而連接起來，同時表層和過渡層之間也燒結為一個整體，表層厚度為1_，過渡層厚度為1_，檢測此復合片的干車磨耗比為85萬，也優(yōu)于鈷作為粘結劑的復
A μ-1=I / I O
[0022]實施例3:與上述兩個實例的制備過程基本相同，金剛石復合層有聚晶金剛石表層和聚晶金剛石過渡層，不同之處在于，表層含53%重量的金剛石微粉和47%的鎢粉，過渡層含62%重量的金剛石微粉和38%的鎢粉。金剛石表層主要為鎢金屬覆蓋，保護了金剛石在高溫下不受鈷的熱膨脹和反向催化損壞，帶來了優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。檢測此復合片的干車磨耗比為148萬，為以鈷作粘結劑的復合片干磨磨耗比的2.4倍，可見本發(fā)明的復合片具有優(yōu)良的1?溫性能。
【主權項】
1.一種聚晶金剛石-硬質合金復合片，包括硬質合金基片和聚晶金剛石層，其特征在于所述的聚晶金剛石層中全部或至少一部分由鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種能夠與金剛石反應形成碳化物、并且熱膨脹系數(shù)與金剛石接近的材料作為粘接劑，將金剛石粉在高溫高壓下燒結而成，剩余的部分金剛石則是通過鈷參與燒結的催化作用而直接成鍵連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的聚晶金剛石-硬質合金復合片，其特征在于所述的聚晶金剛石層由I層相同配方、或2層或多層不同配方的聚晶金剛石層構成。
3.根據(jù)權利要求1和2所述的聚晶金剛石-硬質合金復合片，其特征在于所述的聚晶金剛石層的表層含有30~70%重量比的鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種材料。
4.根據(jù)權利要求3所述的聚晶金剛石-硬質合金復合片，所述的聚晶金剛石層與硬質合金基片之間設有聚晶金剛石過渡層，所述的聚晶金剛石層的過渡層含有0~50%重量比的鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種材料。
5.根據(jù)權利要求1和2所述的聚晶金剛石-硬質合金復合片，所述的聚晶金剛石層的總厚度為0.5~6_。
6.根據(jù)權利要求1和2所述的聚晶金剛石-硬質合金復合片，所述的聚晶金剛石層的表層中至少一部分金剛石顆粒之間是通過金剛石-X的碳化物-X- X的碳化物-金剛石的形式連接起來，X為鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種，剩余的部分金剛石則是通過鈷的催化作用而直接成鍵連接。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的聚晶金剛石-硬質合金復合片，所述的聚晶金剛石表層為一層或多層，所述的聚晶金剛石層包覆在硬質合金基片的一個或多個表面。
8.—種聚晶金剛石-硬質合金復合片的制備方法，在金剛石粉料中預先添加不同含量的鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種材料，采用制作成型的硬質合金基體，用機械靜壓壓緊的方式進行粉料組裝，采用合成模，在高溫高壓下進行燒結，獲得聚晶金剛石-硬質合金復合片，燒結溫度為1300~1600°C，燒結壓力為5~10Gpa。
9.根據(jù)權利要求8所述的聚晶金剛石-硬質合金復合片制備方法，其特征在于通過分層投料一次燒結方式形成單層或多層結構的聚晶金剛石表層以及聚晶金剛石過渡層。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的聚晶金剛石-硬質合金復合片制備方法，其特征在于所述的高溫高壓燒結時間為0.5-30分鐘。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種聚晶金剛石-硬質合金復合片及其制備方法，包括硬質合金基片和聚晶金剛石層，其特征在于所述的聚晶金剛石層中全部或至少一部分由鎢、錸、鉻、鈦中的一種或多種能夠與金剛石反應形成碳化物、并且熱膨脹系數(shù)與金剛石接近的材料作為粘接劑，將金剛石粉在高溫高壓下燒結而成，剩余的部分金剛石則是通過鈷參與燒結的催化作用而直接成鍵連接。本發(fā)明減少了聚晶金剛石層中的鈷含量，可改善聚晶層的熱穩(wěn)定性。通過分層投料一次燒結的方式形成單層或多層結構的聚晶金剛石表層及聚晶金剛石過渡層，可根據(jù)工況需要調整金剛石表層或金剛石過渡層的熱穩(wěn)定性和耐磨性、抗沖擊性，使本發(fā)明更適合于高溫或無冷卻介質工況下的應用。
【IPC分類】B22F3-16, B22F7-02
【公開號】CN104690274
【申請?zhí)枴緾N201410846572
【發(fā)明人】鄭捷, 陳文婷, 宋全勝, 鄭安
【申請人】江漢石油鉆頭股份有限公司, 鄭捷, 武漢銳特金剛石有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2014年12月31日