[发明专利]一种具有保护障碍层包覆的聚晶金刚石复合片及制备方法

说明书

本发明是关于一种用于切削工具、磨具及钻具上具有保护障碍层包覆的聚晶金刚石复合片及其制备方法，它用于道路桥梁建设、机械加工、石材加工、采矿、石油钻探及开采等领域。该聚晶金刚石复合片包括聚晶金刚石层和硬质合金基体，聚晶金刚石层的外表面至少部分被保护障碍层所包覆，保护障碍层为金属、合金或者化合物，保护障碍层为单层或者多层，它至少覆盖聚晶金刚石复合片的部分外表面。保护障碍层制备方法有物理气相沉积、化学气相沉积、热反应沉积和扩散、电镀、化学镀、或者它们的组合。本发明的保护障碍层会减少钎焊和使用过程中聚晶金刚石复合片的热和机械损伤(如：材料氧化及金刚石石墨化等)，延长工具的使用寿命及提高效率。

技术领域

本发明是关于一种用于切削工具、磨具及钻具上具有保护障碍层包覆的聚晶金刚石复合片及其制备方法，它用于道路桥梁建设、机械加工、石材加工、采矿、石油钻探及开采等领域。

背景技术

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Cutter,PDC)业已为人们所熟知。它是由一层聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,PCD)层和硬质合金支撑基体构成。聚晶金刚石复合片制备通常是在高温高压下、在触媒材料的辅助下、在硬质合金(烧结碳化物)基体上、将细小的金刚石颗粒烧结粘合在一起。常见的金属触媒材料为钴、镍、铁及其它们的合金。该工艺即为常见的高温高压过程。聚晶金刚石复合片的支撑基体为硬质合金，例如，以钴作为粘接剂的烧结碳化钨。在高温高压烧结过程中，硬质合金基体中的钴或其它金属触媒材料可扩散至聚晶金刚石层中的金刚石颗粒间，作为触媒，它促进金刚石颗粒间的结合(金刚石与金刚石键结合，即Diamond-to-Diamond，简称D-D键结合)，形成聚晶金刚石层。另一种方法，先将金刚石颗粒与粉末状的触媒材料预先混合均匀，然后在高温高压下烧结，形成聚晶金刚石。

聚晶金刚石复合片也可通过钎焊方法将制好的无基体支撑的聚晶金刚石层与硬质合金基体焊合在一起来制备。如前所述，无基体支撑的聚晶金刚石层可通过在高温高压下、在触媒材料的辅助下烧结而成。

人们认识到聚晶金刚石中的金属触媒材料(如：钴)对其热稳定性是非常有害的。金属触媒材料不仅促进金刚石的石墨化，而且，由于其热膨胀系数与金刚石有显著差异，导致形成高的热应力。为了改进聚晶金刚石的热稳定性，各种热稳定聚晶金刚石(ThermallyStable Polycrystalline Diamond,TSPCD)相继问世，它们或者是用非金属触媒材料、或者是将聚晶金刚石中的金属触媒材料部分或全部脱除掉。

热稳定聚晶金刚石复合片(Thermally Stable Polycrystalline DiamondCutter,TSPDC)是指由热稳定聚晶金刚石层(TSPCD)和硬质合金基体构成的聚晶金刚石复合片。通常，热稳定聚晶金刚石复合片是通过脱除掉聚晶金刚石层中部分或全部金属触媒材料(如：钴)来制备的。脱除金属触媒材料的方法有化学、电化学及其它技术。最常见的是部分脱除金属触媒材料，即仅脱除聚晶金刚石层表面和亚表层中的金属触媒材料，深度一般是几十至几百微米、不超过1毫米，而聚晶金刚石层内部仍保留金属触媒材料。美国专利(April 2,2005；U.S.Pat.No.6,878,447 B2；Polycrystalline Diamond PartiallyDepleted of Catalyzing Material)和(July 15,2003；U.S.Pat.No.6,592,985 B2；Polycrystalline Diamond Partially Depleted of Catalyzing Material)是关于部分脱除金属触媒材料的聚晶金刚石复合片的。完全脱除金属触媒材料不仅耗时长，而且还会导致聚晶金刚石层变脆。部分脱除金属触媒材料的聚晶金刚石除了改善其热稳定性，而且还保持聚晶金刚石良好的抗冲击性能。部分脱除金属触媒材料的热稳定聚晶金刚石复合片具有优异的综合性能，在切削应用中(如：石油钻探)取得极大的成功，得到广泛的应用。