[发明专利]一种以低钴含量烧结碳化钨为基体的聚晶金刚石复合片

说明书

本发明是关于一种具有涂层覆盖的、以低钴含量烧结碳化钨作为基体的聚晶金刚石复合片。该复合片是由聚晶金刚石层和烧结碳化钨基体构成，其中：聚晶金刚石层为未脱除触媒材料或脱除触媒材料(部分或全部)的，烧结碳化钨基体含有3％～10％(重量百分数)的钴或钴基合金作为粘结剂。涂层至少覆盖烧结碳化钨基体的部分表面，可扩展覆盖聚晶金刚石层的部分乃至全部表面。涂层为单层或者多层，但至少包含一金属或合金层。涂层的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。本发明的聚晶金刚石复合片具有减少的残余应力、低脆性，以及优异的抗冲蚀耐磨性能和可钎焊性能。

技术领域

本发明是关于一种用于切削工具、磨具及钻具上以低钴含量烧结碳化钨为基体的聚晶金刚石复合片，属于道路桥梁建设、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，它是由一聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,PCD)层和硬质合金(烧结碳化物)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烧结碳化物，例如：以钴作为粘结剂的烧结碳化钨。在高温高压烧结过程中，烧结碳化物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烧结碳化物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、或者是将合成的聚晶金刚石中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)和烧结碳化物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)来获得的。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.6,878,447B2；Polycrystalline Diamond PartiallyDepleted of Catalyzing Material)和(July 15,2003；U.S.Pat.No.6,592,985B2；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。