專利名稱：：多功能型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明主要應(yīng)用于地質(zhì)巖芯鉆探、煤田開采、地下瓦斯排放、天然氣以及石油開采、工程工具、寶石加工、汽車以及航空航天零部件加工等行業(yè)，具體涉及一種高性能低成本的多功能型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法。
背景技術(shù)：
：聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)作為鉆采工具的關(guān)鍵部件，其性能和功能決定了鉆采工具的質(zhì)量和工效。目前，一般從耐熱性、耐磨性和抗沖擊性三方面來(lái)評(píng)價(jià)PDC的性能。從技術(shù)角度說(shuō)，PDC的抗沖擊性和耐磨性在一定的技術(shù)條件下是互為制約和矛盾的，目前各種礦用鉆頭用PDC切削齒，由于成本和技術(shù)限制。性能低，功能單一；石油用PDC作為高端產(chǎn)品，以極高的生產(chǎn)成本和技術(shù)較好的達(dá)到了二者的平衡，但是限制了PDC在低成本高性能需求市場(chǎng)，特別是一般礦用鉆采工具市場(chǎng)的發(fā)展。即使價(jià)格為市場(chǎng)接受，也存在一些功能的浪費(fèi)，而另一些功能如錨桿鉆頭要求的高抗沖擊性能卻也不能滿足一些煤礦的工況鉆采設(shè)備和地質(zhì)勘探和鉆采條件。目前國(guó)內(nèi)外PDC市場(chǎng)主要是按聚晶金剛石層厚度區(qū)分為普通型、加強(qiáng)型，未見按其功能特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分的產(chǎn)品。本發(fā)明提出的多功能型聚晶金剛石復(fù)合片尚未見國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和專利報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的為了克服普通PDC性能低下、油用PDC成本高、資源需求高的缺點(diǎn)，而提供一種在普通PDC生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上通過(guò)精細(xì)控制產(chǎn)品配方和生產(chǎn)工藝調(diào)控PDC性能制備具有多功能特性的新型多功能型聚晶金剛石復(fù)合片的方法，本發(fā)明主要是針對(duì)鉆頭不同部位受力不同和工作微環(huán)境的不同，在壓力5.5-6.0GPa，溫度1450-1650°C，采用納米催化和高壓高溫梯度合成技術(shù)，通過(guò)形成化學(xué)位和溫度場(chǎng)梯度合成碳-碳鍵結(jié)合的聚晶金剛石層，進(jìn)一步通過(guò)調(diào)整配方和催化與合成工藝對(duì)PDC的微結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)PDC復(fù)合片多功能的調(diào)控和優(yōu)化，從性能上進(jìn)一步將PDC細(xì)分為抗沖擊型、耐磨型和耐高溫型三類，以獲得三種多功能型PDC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的市場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)行功能細(xì)分，滿足鉆采工具切削齒對(duì)不同工況和地質(zhì)微環(huán)境的功能性要求?？梢燥@著提高鉆頭的地層適應(yīng)性和性價(jià)比，使鉆探的效率和鉆頭壽命得到更合理兼顧，更好的發(fā)揮PDC的性能，節(jié)約硬質(zhì)合金資源。同時(shí)也可用于數(shù)控機(jī)床的刀具。多功能型聚晶金剛石復(fù)合片按其功能特點(diǎn)可分為三類1、耐磨型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，金剛石粒徑60微米用W60代表，金剛石粒徑30微米用W30代表，金剛石粒徑10微米用W10代表，三種金剛石粒徑用量按重量百分比計(jì)，W60為15-30%，W30為30%50%，W10為20%45%，添加石墨包裹的納米鈷粉占金剛石總量的質(zhì)量百分比為4%12%，按上述取各物質(zhì)及用量，將石墨包裹的納米鈷粉與金剛石微粉球磨300-900分鐘，混合均勻放置真空干燥箱80-10(TC下保存?zhèn)溆茫环Q取0.5-2.0g上述混合好的金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體壓實(shí)組裝后置于葉臘石合成模中，放入六面頂金剛石壓機(jī)；在壓力5.5GPa，溫度1400_155(TC，合成5_15分鐘，卸壓后取出樣品，經(jīng)機(jī)械拋磨得到耐磨型聚晶金剛石復(fù)合片。金剛石層厚度大于1.5mm，耐熱溫度不低于800。C，切削SiC砂輪磨耗比約200萬(wàn)。2、抗沖擊型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，金剛石粒徑60微米用W60代表，金剛石粒徑30微米用W30代表，金剛石粒徑10微米用W10代表，三種金剛石粒徑用量按重量百分比計(jì)，W60為40-60%，W30為30%50%，W10為0_20%，添加石墨包裹的納米鈷粉占金剛石總量的質(zhì)量百分比為6%10%為催化劑，按上述取各物質(zhì)及用量，將石墨包裹的納米鈷粉與金剛石微粉球磨300-900分鐘，混合均勻放置真空干燥箱80-10(TC下保存?zhèn)溆茫环Q取0.5-2.0g上述混合好的金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體壓實(shí)組裝后置于葉臘石合成模中，放入六面頂金剛石壓機(jī)；在壓力6.OGPa，溫度1450_165(TC，合成2_5分鐘，卸壓后取出樣品，經(jīng)機(jī)械拋磨得到抗沖擊型聚晶金剛石復(fù)合片。金剛石層厚度小于1.2mm，耐熱溫度不低于80(TC，切削SiC砂輪磨耗比約IOO萬(wàn)。基底合金界面采用了環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以降低因合金界面和金剛石層中的第二相膨脹系數(shù)大而產(chǎn)生高熱應(yīng)力集中。從而大大提高了其抗沖擊性能。3、耐高溫型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，金剛石粒徑60微米用W60代表，金剛石粒徑30微米用W30代表，金剛石粒徑10微米用W10代表，三種金剛石粒徑用量按重量百分比計(jì)，W60為20-40%，W30為35%55%，W10為10%30%，納米SiC4_10%，以石墨包裹的納米鈷粉占金剛石總量的質(zhì)量百分比為46%為催化劑，按上述取各物質(zhì)及用量，將石墨包裹的納米鈷粉、納米SiC與金剛石微粉球磨300-900分鐘，混合均勻放置真空干燥箱80-10(TC下保存?zhèn)溆?；稱取0.5-2.Og上述混合好的金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體壓實(shí)組裝后置于葉臘石合成模中，放入六面頂金剛石壓機(jī)；在壓力5.5GPa，溫度1400_155(TC，合成5-15分鐘，卸壓后取出樣品，經(jīng)機(jī)械拋磨得到耐高溫型聚晶金剛石復(fù)合片。金剛石層厚度大于1.5mm，耐熱溫度不低于85(TC，切削SiC砂輪磨耗比約200萬(wàn)。是專門用于堅(jiān)硬致密難鉆進(jìn)的巖層，如石英細(xì)砂巖層，因巖層致密研磨性強(qiáng)，摩擦升溫高，一般的PDC不耐高溫容易產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力而崩刃或與基體脫開。金剛石為普通高純度金剛石粉、高強(qiáng)金剛石粉和/或含硼金剛石粉。市售。從河南中南金剛石工業(yè)公司和黃河旋風(fēng)集團(tuán)公司購(gòu)得。本發(fā)明主要是針對(duì)鉆頭不同部位受力不同和工作微環(huán)境的不同，通過(guò)調(diào)整配方和催化與合成工藝對(duì)PDC的微結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)PDC復(fù)合片功能的調(diào)控和優(yōu)化，從性能上進(jìn)一步將PDC細(xì)分為抗沖擊型、耐磨型和耐高溫型三類，以獲得三種功能型PDC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的市場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)行功能細(xì)分，滿足鉆采工具切削齒對(duì)不同工況和地質(zhì)微環(huán)境的功能性要求?？梢燥@著提高鉆頭的地層適應(yīng)性和性價(jià)比，使鉆探的效率和鉆頭壽命得到更合理兼顧，更好的發(fā)揮PDC的性能，節(jié)約硬質(zhì)合金資源。圖1為實(shí)施例3樣品的差熱分析曲線圖。圖2a為實(shí)施例4掃描電鏡分析的抗沖擊型PDC顯微結(jié)構(gòu)。圖2b為實(shí)施例3耐高溫型PDC顯微結(jié)構(gòu)。圖3為自制的石墨包裹的納米鈷TEM照片。具體實(shí)施例方式多功能型復(fù)合片的實(shí)施涉及合成工藝、配方和基片槽型三者的匹配。1.合成設(shè)備和工藝設(shè)備六面頂金剛石壓機(jī)。工藝?yán)煤辖鸹w的鈷擴(kuò)散和石墨包裹的納米鈷粉為催化劑，在壓力5.5-6.OGPa，通過(guò)形成化學(xué)位和溫度場(chǎng)梯度合成碳_碳鍵結(jié)合的聚晶金剛石層。合成時(shí)間和溫度_壓力匹配工藝有如下兩種方式。A、低溫較長(zhǎng)時(shí)間5-15分鐘合成，實(shí)施例中壓力5.5GPa，溫度1400_155(TC;例如合成耐磨型和耐高溫型PDC。B、高溫快速2-5分鐘合成，實(shí)施例中壓力6.0GPa，溫度1450_1650°C;例如合成抗沖擊型PDC。2.材料和配方金剛石普通高純度金剛石粉，高強(qiáng)金剛石粉，含硼金剛石粉。市售，從河南中南金剛石工業(yè)公司和黃河旋風(fēng)集團(tuán)公司購(gòu)得。粒度采用至少三種不同粒度，實(shí)施例中分別為粒徑60微米，30微米和10微米即W60，W30，WIO。鈷粉石墨包裹納米鈷粉，自制，粒度5-20納米，其顯微形貌見附圖3的高分辨電鏡照片，主要作為金剛石再結(jié)晶生長(zhǎng)的催化劑。石墨包裹納米鈷的制備方法如下1、稱取lgCo(N03)2.6H20，0.6gNaOH，用移液管取60ml乙二醇，將其混合至燒杯中；2、將混合溶液于磁力攪拌器上攪拌3小時(shí)，并恒溫加熱170°C;3、稱取25g淀粉于燒杯中，加入30ml蒸餾水，攪拌均勻；4、將以上2、3步制得的溶液混合于燒杯中，置于超聲波儀中超聲30min后，在空氣中干燥24小時(shí)；最后將樣品放于8(TC烘箱中干燥12小時(shí)；5、將上述樣品置于還原爐通入氫氣反應(yīng)獲得金屬鈷；反應(yīng)控制如下室溫一300°Clh內(nèi)升溫，保溫lh，通入氫氣30ml/min;300°C—500°C保溫lh，升溫速度5°C/min;500°C—900°C保溫4h;900°C—室溫自然冷卻6、金屬鈷酸洗將上述獲得的金屬鈷用1M麗03溶液浸泡4小時(shí)，用蒸餾水洗凈后過(guò)濾蒸干，即得到石墨包裹的納米鈷粉，鈷的粒徑大小為5-20納米。碳化硅粉SiC，純度99%，粒度40nm，由河南開爾納米材料公司生產(chǎn)。三種功能型PDC的具體配比見前述。表1功能型金剛石配比和合成工藝<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>多功能型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，(1)各物質(zhì)的質(zhì)量份數(shù)分別按表1中的量來(lái)取，將石墨包裹的納米鈷粉與金剛石微粉球磨300-900分鐘，混合均勻放置真空干燥箱80-10(TC下保存?zhèn)溆茫?2)稱取lg混合好的上述金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體壓實(shí)組裝后置于葉臘石合成模中，放入六面頂金剛石壓機(jī)；(3)根據(jù)表1中的合成工藝條件，選擇壓力和加熱功率及合成時(shí)間，卸壓后取出樣品，經(jīng)機(jī)械拋磨得到成品。其中實(shí)施例1合成條件為在壓力6.OGPa，溫度165(TC，合成2分鐘；實(shí)施例2合成條件為在壓力5.5GPa，溫度155(TC，合成5分鐘；實(shí)施例3合成條件為在壓力5.5GPa，溫度140(TC，合成15分鐘；實(shí)施例4合成條件為在壓力6.OGPa，溫度145(TC，合成5分鐘；實(shí)施例5合成條件為在壓力5.5GPa，溫度1500。C，合成10分鐘。下面用實(shí)施例3和實(shí)施例4制作的耐高溫型和抗沖擊型PDC來(lái)實(shí)驗(yàn)分析。(1)耐熱性能分析實(shí)施例3樣品，在空氣氣氛下加熱750-85(TC仍保持良好的高溫抗磨損性，差熱分析(DTA)表明其空氣中熱分解初始溫度高達(dá)862t:，100(rC時(shí)質(zhì)量損失僅約48X(見圖1);而磨削超硬碳化硅砂輪時(shí)其體積磨耗比也超過(guò)了500萬(wàn)。在馬弗爐中直接加熱至80(TC，保溫3分鐘，空冷后測(cè)其磨耗比基本沒(méi)有損失，磨耗比值為0.97(加熱80(TC保溫3分鐘后磨耗比與常溫下磨耗比的比值，它可以反映PDC的熱穩(wěn)定性)。磨耗比值最大值為l，接近1反映其高溫?zé)岱€(wěn)定性越好。(2)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控通過(guò)調(diào)整PDC原材料配方和催化與合成工藝參數(shù)(見前述
發(fā)明內(nèi)容部分)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PDC微觀組織結(jié)構(gòu)特別是晶界微結(jié)構(gòu)和第二相組成與分布的控制，從而強(qiáng)化了PDC的不同特性和功能如高抗沖擊性或耐高溫性等。下圖為實(shí)施例4和例3樣品的掃描電鏡分析的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。使用掃描電子顯微鏡拍攝高倍率下PDC表面的背散射電子像能夠直觀地觀察PDC中第二相相分布的情形，圖2a(對(duì)應(yīng)表1中例4)、圖2b(對(duì)應(yīng)表1中例3)中較為明亮的部分對(duì)應(yīng)的是金屬結(jié)合劑。其含量多少及其分布狀況和金剛石晶粒的大小、分布及晶界會(huì)直接影響PDC的性能。圖2a和圖2b比較二者微觀結(jié)構(gòu)明顯不同，后者結(jié)合劑含量很低，金剛石層密度大，硬度更高。顯微硬度計(jì)測(cè)量例3和例4的顯微硬度分別為9000和5600kg/mm2，前述差熱分析也表明前者有更高的熱分解溫度，在空氣中加熱發(fā)熱峰值為919.2°C，因此具有更高的耐高溫性能和極強(qiáng)的抗熱應(yīng)力沖擊特性，適合制備石油和硬巖層鉆頭的切削齒和數(shù)控刀具。但后者能以較低的制造成本獲得更好的低溫抗沖擊韌性，適合制備對(duì)沖擊韌性要求高的錨桿鉆頭。權(quán)利要求耐磨型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，金剛石粒徑60微米用W60代表，金剛石粒徑30微米用W30代表，金剛石粒徑10微米用W10代表，三種金剛石粒徑用量按重量百分比計(jì)，W60為15-30％，W30為30％～50％，W10為20％～45％，添加石墨包裹的納米鈷粉占金剛石總量的質(zhì)量百分比為4％～12％，按上述取各物質(zhì)及用量，將石墨包裹的納米鈷粉與金剛石微粉球磨300-900分鐘，混合均勻放置真空干燥箱80-100℃下保存?zhèn)溆?；稱取0.5-2.0g上述混合好的金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體壓實(shí)組裝后置于葉臘石合成模中，放入六面頂金剛石壓機(jī)；在壓力5.5GPa，溫度1400-1550℃，合成5-15分鐘，卸壓后取出樣品，經(jīng)機(jī)械拋磨得到耐磨型聚晶金剛石復(fù)合片。2.抗沖擊型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，金剛石粒徑60微米用W60代表，金剛石粒徑30微米用W30代表，金剛石粒徑10微米用W10代表，三種金剛石粒徑用量按重量百分比計(jì)，W60為40-60%，W30為30%50%，W10為0-20%，添加石墨包裹的納米鈷粉占金剛石總量的質(zhì)量百分比為4%12%為催化劑，按上述取各物質(zhì)及用量，將石墨包裹的納米鈷粉與金剛石微粉球磨300-900分鐘，混合均勻放置真空干燥箱80-10(TC下保存?zhèn)溆茫环Q取0.5-2.0g上述混合好的金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體壓實(shí)組裝后置于葉臘石合成模中，放入六面頂金剛石壓機(jī)；在壓力6.OGPa，溫度1450_165(TC，合成2-5分鐘，卸壓后取出樣品，經(jīng)機(jī)械拋磨得到抗沖擊型聚晶金剛石復(fù)合片。3.耐高溫型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，金剛石粒徑60微米用W60代表，金剛石粒徑30微米用W30代表，金剛石粒徑10微米用W10代表，三種金剛石粒徑用量按重量百分比計(jì)，W60為20-40%，W30為35%55%，W10為10%30%，納米SiC4_10%，以石墨包裹的納米鈷粉占金剛石總量的質(zhì)量百分比為03%為催化劑，按上述取各物質(zhì)及用量，將石墨包裹的納米鈷粉、納米SiC與金剛石微粉球磨300-900分鐘，混合均勻放置真空干燥箱80-10(TC下保存?zhèn)溆?；稱取0.5-2.0g上述混合好的金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體壓實(shí)組裝后置于葉臘石合成模中，放入六面頂金剛石壓機(jī)；在壓力5.5GPa，溫度1400_155(TC，合成5-15分鐘，卸壓后取出樣品，經(jīng)機(jī)械拋磨得到耐高溫型聚晶金剛石復(fù)合片。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的多功能型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，金剛石為普通高純度金剛石粉、高強(qiáng)金剛石粉和/或含硼金剛石粉。全文摘要本發(fā)明涉及一種多功能型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，采用納米催化和高壓高溫梯度合成技術(shù)，通過(guò)調(diào)整原料金剛石各粒徑組成和催化與合成工藝，對(duì)PDC的微結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)PDC復(fù)合片功能的調(diào)控和優(yōu)化，從性能上進(jìn)一步將PDC細(xì)分為抗沖擊型、耐磨型和耐高溫型三類，以獲得三種功能型PDC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的市場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)行功能細(xì)分，滿足鉆采工具切削齒對(duì)不同工況和地質(zhì)微環(huán)境的功能性要求?？梢燥@著提高鉆頭的地層適應(yīng)性和性價(jià)比，使鉆探的效率和鉆頭壽命得到更合理兼顧，更好的發(fā)揮PDC的性能，節(jié)約硬質(zhì)合金資源。文檔編號(hào)B01J3/06GK101773807SQ20091027343公開日2010年7月14日申請(qǐng)日期2009年12月29日優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日發(fā)明者孫振亞,范端,陳晶晶,黎明發(fā)申請(qǐng)人:武漢六吉科技有限公司