[发明专利]夹芯式金刚石聚晶复合片及其制备方法和所用结合剂

说明书

技术领域

本发明属于金刚石与硬质合金复合刀具材料领域，具体涉及一种夹芯式金刚石聚晶复合片及其制备方法和所使用的结合剂，其可用于有色金属和难加工非金属材料的切削加工领域。

背景技术

金刚石聚晶复合片是一种金刚石和硬质合金组成的复合材料，由于它具有金刚石硬度高和耐磨性好的特点，同时又兼具硬质合金抗冲击性能强和可焊性好的特点，因而被广泛应用于石油钻井、地质勘探、煤田钻采的钻头和机械加工工具等行业。传统的金刚石聚晶复合片，一般由两层结构组成，一层是硬质合金基体，另一层是附着于硬质合金基体上的金刚石聚晶层。在实际应用过程中，用这类复合片制成钻头钻进时，由于受各种冲击力的作用，金刚石聚晶层往往容易崩刃，大大降低了复合片应有的使用寿命，甚至造成金刚石聚晶层严重受损，以致报废。因此，如何提高复合片金刚石聚晶层的抗冲击韧性，最大限度地降低甚至避免使用时崩刃情况的发生，是提高复合片钻进性能的关键问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种具有较高抗冲击韧性和良好耐磨性特点的夹芯式金刚石聚晶复合片，同时提供一种该复合片的制备方法和一种生产该复合片所使用的纳米金属结合剂。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种夹芯式金刚石聚晶复合片，包括上、下层的硬质合金基体和中间层的金刚石聚晶层，三者经过高温高压烧结而相互复合形成一种三层材料的超硬复合材料。

一种使上述夹芯式金刚石聚晶复合片具有较高抗冲击韧性和良好耐磨性特点的纳米金属结合剂，由下述重量百分含量的原料组成：Co粉 97～99%、Ni粉0.78～1.8%、TaC粉0.2～0.7%、B粉0.02～0. 5%。

该结合剂的各原料以使用分析纯为佳，TaC粉和B粉粒径在20～30nm、Ni粉和Co粉粒径在30～40nm时效果较好，更利于增强夹心式金刚石聚晶复合片的冲击韧性、耐磨性能和耐热性。

上述夹芯式金刚石聚晶复合片的金刚石聚晶层由下述重量百分含量的原料组成：金刚石粉92～96%和上述纳米金属结合剂4～8%，

所述金刚石粉的粒径为2～10µm。

上述夹芯式金刚石聚晶复合片的硬质合金基体由下述重量百分含量的原料组成：WC粉89.5～91%、NbC粉0.5～1%和Co粉8.5～9.5%。

上述原料配方的金刚石聚晶层和硬质合金基体有利于增加夹芯式金刚石聚晶复合片的耐磨性能，延长使用寿命。其中，WC粉的粒径在2～2.5µm，NbC粉和Co粉的粒径在1.0～1.2µm之间时效果较好。本申请的硬质合金基体采用本领域的常规方法预先制备即可。

上述夹芯式金刚石聚晶复合片的制备方法，包括如下步骤：

1）净化与还原处理：将金刚石粉先用20～30%的氢氧化钠水溶液煮沸30～40min，用去离子水洗涤至中性，用硫酸和硝酸体积比为1：1的混酸溶液煮沸20～30min，并用去离子水洗涤至中性，然后再用盐酸与硝酸体积比例为1:1混合溶液煮沸20～30min，并再用去离子水洗涤至中性，备用；将纳米金属结合剂在氢气还原炉中于800～850℃温度下还原处理1.5～3h，备用；

2）混料：按比例称取处理过的金刚石粉和纳米金属结合剂，放入三维混料机内进行预混，三维混料机转速为：100±10 r/min，三维混料时间：15±5小时；然后将三维混好的料，再用行星式球磨机进行湿混，料与硬质合金球重量比1∶4～5；从球磨罐端部接口处加入无水乙醇和液体石蜡，液体石蜡与无水乙醇的体积比为1∶1000，无水乙醇和液体石蜡的总体积与料和硬质合金球的总体积之比为1∶1～1.5；行星式球磨机参数：公转：50±5 r/min，自转：110±5 r/min，球磨时间：10±5小时；

3）复合体组装与真空处理：先将下层硬质合金基体放入圆柱形钽杯内，倒入混合好的金刚石粉和纳米金属结合剂并刮平，然后放入上层硬质合金基体并扣上钽杯盖得复合体组件；将复合体组件置于真空烧结炉中，真空状态下按每个复合体组件1～1.5升氢气的比例通入一定量的氢气，在不大于3×10^-4Pa的真空条件下于850～900℃保温2.5～3.5小时；

4）高温高压烧结：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机在温度为1420±50℃、压力为6～7GPa的条件下合成40～50min，即得本申请的夹芯式金刚石聚晶复合片。

本方法中使用六面顶压机合成设备通过上下顶锤加热实现复合片高温高压烧结。