[发明专利]一种高热稳定性聚晶金刚石复合片

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石复合片，具体涉及一种具有高热稳定性聚晶金刚 石复合片及制备方法，属材料学领域。

背景技术

聚晶金刚石复合片是利用超高压高温技术，将金刚石微粉烧结成聚晶体 并同时复合到硬质合金基体上的一种超硬材料，集金刚石的超高硬度与硬质 合金的高强度于一体，同时具有易焊接的优点。

在聚晶金刚石复合片的制备过程中，当烧结温度升高到1300℃以上时，硬 质合金基体中的钴(Co)开始融化并进入金刚石微粉之间的空隙，同时在高 压的作用下，促进金刚石-金刚石键(D-D键)的形成，即形成金刚石聚晶体。 烧结完成后，在复合片的金刚石层中一般会残留一定量的钴。当金刚石复合 片再次受到高温(如焊接或在工作过程中)时，由于钴是金刚石的催化剂， 在常压高温下会促进金刚石向石墨转变，破坏金刚石-金刚石键合，从而使金 刚石复合片的性能急剧下降。此外，钴与金刚石的热膨胀系数相差很大，在 高温作用下，会在复合片的金刚石层中产生热应力和微裂纹，这也是导致金 刚石复合片性能下降的一个原因。

聚晶金刚石复合片的一个重要应用领域是制造油气钻井或地质钻探用钻 头。金刚石复合片钻头在软到中硬的、比较均质的地层中具有钻速快、效率 高等明显的优势，但在坚硬、强研磨性和软硬交错等非均质地层中，仍然存 在着钻速低、寿命短的难题。限制金刚石复合片钻头在坚硬的研磨性地层中 使用效果的主要原因是：高接触压力和岩石的高研磨性导致金刚石复合片与 岩石相互作用面上的摩擦温度过高，从而使复合片强度降低，磨损速度加快。 当温度超过350℃，金刚石复合片的磨损速度比正常值高1～2个数量级。而当 金刚石复合片与岩石间的摩擦温度超过750℃时(在钻进硬的研磨性地层时很 容易达到此温度)，复合片将很快由于热磨损而失效。为解决上述难题，除了 需要针对不同地层优化金刚石复合片钻头的结构及钻井参数外，研制具有高 热稳定性的聚晶金刚石复合片至关重要。

目前国内外有用碳化硅或其它陶瓷材料代替金属粘接剂钴作为粘结相的 聚晶金刚石复合材料，但都没有实现与硬质合金基体的可靠结合，都是单独 使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高热稳定性的聚晶金刚石复合片及制备方 法。

本发明之具有高热稳定性聚晶金刚石复合片具有三层结构，最上层为由 碳化硅粘结的高耐热性聚晶金刚石，中间过渡层为由钴粘结的聚晶金刚石， 最下层为硬质合金衬底，采用双面渗透的方法，最上层的硅材料向中间的金 刚石微粉渗透，最下层硬质合金中的钴也同时向中间的金刚石微粉渗透。该 聚晶金刚石复合片采用高温高压烧结工艺制备，可实现传统金刚石复合片材 料难以达到的耐热性能，从而提高金刚石工具的工作效率和使用寿命。

所述的金刚石复合片以WC-Co硬质合金为底。

所述的聚晶金刚石复合片是由硅粉或硅片、金刚石微粉、硬质合金基体 材料组成。

所述的硅粉，其粒度为1-20μm，纯度99.9％以上。

金刚石微粉的粒度为10/20μm，20/30μm、30/40μm(其中10/20μm的D50 值在16-17μm；20/30μm的D50值在24-25μm；30/40μm的D50值在 32-33μm)，将上述不同粒度的金刚石微粉按照重量比4：3：2混合；

硬质合金基体的牌号为YG16。

所述的金刚石微粉为人造金刚石颗粒。

本发明之具有高热稳定性聚晶金刚石复合片的制备方法包括以下步骤：

(1)、聚晶金刚石复合片是由硅粉或硅片、金刚石微粉、硬质合金基体 材料组成；

(2)、将10/20μm，20/30μm、30/40μm的金刚石微粉按照重量比4：3： 2混合，用三维混料机混合24小时，机械球磨混料形成均匀混合粉末；

(3)、将步骤(2)中所述制得的金刚石微粉、硅粉以及硬质合金基体在 难熔金属杯中进行组装；先加入厚度为0.1～0.2mm的硅粉，再加入厚度为 0.8mm金刚石微粉，最后放入硬质合金基体；

(4)、将步骤(3)中所得金属杯组装体放入由叶腊石、导电堵头组成的 高压合成元件中，用六面顶压机进行高温高压烧结，烧结条件为：压力 5.5-7GPa，温度1650℃-1750℃，保温保压时间为10min。