[发明专利]一种具有高导热性能的金刚石复合片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉超硬材料制造领域领域，尤其涉及一种具有高导热性能的金刚石复合片及其制备方法。

背景技术

金刚石-硬质合金复合片，简称金刚石复合片或PDC，主要用于金刚石复合片钻头（简称PDC钻头）的钻齿。金刚石复合片是将金刚石粉末添加一定的结合剂与硬质合金基体组装在一起后，在专用金刚石液压机上在超高压高温条件下烧结制得。它由一层多晶金刚石层和硬质合金基体构成。由于多晶金刚石层硬度高、耐磨性好，加上硬质合金基体的良好韧性和可焊性，使其在石油钻探、地质钻探及煤田开采应用中得到广泛应用。

在制作PDC过程中，一般采用钴、镍、铁作为结合剂制作高耐磨型PDC或采用硅为结合剂制作耐热型PDC。但两种方法得到的复合片在使用性能方面均具有一定的局限性：

采用钴、镍、铁作为结合剂制作PDC，由于钴的催化作用，金刚石颗粒之间互相直接烧结在一起形成D-D结合结构（金刚石-金刚石结合），该结构的聚晶金刚石的显微组织是由具有相连骨架结构的金刚石相和弥散分布的“小岛状”金属相组成。它的优点是金刚石颗粒间结合充分，制作复合片具有很高的耐磨性。缺点是在复合片使用中热量高温度高，触媒金属与金刚石颗粒的热膨胀系数差异大（金刚石的热膨胀系数只是钴的十分之一），高温下产生热应力，触媒金属的存在使得金刚石的D-D骨架遭受热损伤而易破坏，聚晶金刚石出现裂纹，导致其耐磨性能大大下降。因此，金刚石聚晶层中的铁族金属相会因工作点温度不同在一定程度上降低PDC的热稳定性。

采用硅作为结合剂制作的PDC，由于金刚石颗粒间没有形成直接结合，而是形成D-M-D结构（金刚石-过渡相-金刚石），由于Si结合剂以及形成的SiC等物相与金刚石的热膨胀系数相近，热应力较小；而且Si在高温条件下也不存在对金刚石的反催化作用，因此，硅结合剂制作的PDC虽然在一定程度上克服了热应力开裂而具有较高的热稳定性，但该种结构的缺点是PDC耐磨性较差，没有直接D-D键合。在日益发展的石油钻探行业，对金刚石复合片耐热性及综合性能提出更高的要求，硅结合剂制作的PDC在耐磨性能上的提升受到了限制。

目前大多采用针对钴、镍、铁做结合剂制作PDC，针对此种情况改进PDC热稳定性方面的解决方法是：将制作好的PDC金刚石层表面进行部分去除金属处理，金属含量的降低会在很大程度上降低热应力的影响，提高PDC 耐热性，使得PDC在高温下使用仍具有较高的耐磨性能。但此种方法对去除金属技术要求较高，去除的位置、去除量控制有一定难度。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高导热性能的金刚石复合片及其制备方法，旨在解决目前金刚石复合片不能兼具高耐磨性和热传导性的问题。

本发明的技术方案如下：

一种具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：

A、在多晶金刚石粉表面镀覆金刚石层，或者用高导热金属对所述多晶金刚石粉孔隙进行填充形成多晶金刚石团粒；

B、将所述多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉混合并装入金属杯中后，再将硬质合金基体装入，将装配好的组件在500-700℃温度条件下真空处理2-10h；

C、将真空处理后的组件装入叶蜡石，在5000-6000MPa压力， 1400-1600℃温度条件下烧结5-10分钟形成金刚石复合片。

所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述步骤A之前还包括：对多晶金刚石粉进行预处理（去除多晶金刚石粉内金属结合剂等杂质）。

所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述步骤A之前的预处理具体通过对多晶金刚石粉进行酸处理、碱处理并用去离子水清洗至中性，去除多晶金刚石粉内的金属结合剂、杂质等。经预处理的多晶金刚石粉金刚石颗粒具有D-D键结合且内部形成一定的孔隙，成为多晶金刚石团粒。

所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述多晶金刚石团粒在烧结前内部已具备D-D键，其经内部孔隙填充或表面镀覆金刚石薄膜后将内部D-D键进行保护预防高温高压烧结时触媒金属的进入。

所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述多晶金刚石团粒与多晶金刚石粉的混合体中多晶金刚石团粒所占质量比为70-95%。所述多晶金刚石团粒的粒径为10-500μm，所述多晶金刚石粉的粒径为1-20μm

所述的具有高导热性能的金刚石复合片的制备方法，其中，所述高导热金属为铜、铝、银或由铜、铝、银形成的合金。