一种多层聚晶金刚石复合片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种多层聚晶金刚石复合片及其制备方法，属于金刚石复合片领域。该多层聚晶金刚石复合片包括由下到上依次设置的硬质合金基体、聚晶金刚石层、碳化钨复合材料层及硬质合金保护层，所述碳化钨复合材料层由以下重量百分比的原料制成：碳化钨粉95％～97％，金属结合剂3％～5％。本发明专利技术提供的多层聚晶金刚石复合片，设计多层不同种类材料及硬度梯度结构，既利用了碳化钨的化学稳定性和金刚石的高强度、耐磨性，在物理性能上形成与聚晶金刚石层的良好过渡，又通过对中部料层的两侧保护，使该多层聚晶金刚石复合片可以有效降低硬质合金基体与聚晶金刚石层的残余应力，提高金刚石复合片的磨耗比、抗冲击韧性及抗弯强度。

【技术实现步骤摘要】
一种多层聚晶金刚石复合片及其制备方法
本专利技术属于金刚石复合片领域，具体涉及一种多层聚晶金刚石复合片及其制备方法。
技术介绍
金刚石复合片是一种金刚石和硬质合金组成的复合材料，通常是通过将添加一定量结合剂的金刚石粉末与硬质合金基体组装在一起，然后在超高温高压条件下烧结制得的。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接性好的特点，因而被广泛应用于石油钻井、地质勘探等行业。传统的金刚石复合片一般由硬质合金基体和一层附着于硬质合金基体上的金刚石聚晶层组成，由于硬质合金基体与聚晶金刚石复合层的残余应力问题，使得传统的金刚石复合片强度不高，韧性差。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，金刚石聚晶层容易崩刃，大大降低其使用寿命。授权公告号为CN2632288Y的专利公开了一种双刃人造聚晶金刚石复合片，包括由上到下依次设置的聚晶金刚石层、硬质合金层、聚晶金刚石层及硬质合金基体，其在钻削过程中能够形成双刃，从而起到改善复合片耐冲击性及耐磨性的作用。该种结构的复合片在实际应用中，由于上层的聚晶金刚石层仍是与硬质合金层烧结而成，无法有效降低两层之间的残余应力，并不能有效解决上层聚晶金刚石层容易崩刃，使用寿命低的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多层聚晶金刚石复合片，其可有效降低硬质合金基体与聚晶金刚石层的残余应力，具有优异的耐磨性及抗冲击韧性。本专利技术的第二个目的是提供上述多层聚晶金刚石复合片的制备方法。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种多层聚晶金刚石复合片，包括由下到上依次设置的硬质合金基体、聚晶金刚石层、碳化钨复合材料层及硬质合金保护层，所述碳化钨复合材料层由以下重量百分比的原料制成：碳化钨粉95％～97％，金属结合剂3％～5％。本专利技术提供的多层聚晶金刚石复合片，中部料层为聚晶金刚石层和碳化钨复合材料层，两层之间可以通过金属结合剂的作用牢固连接，提高金刚石复合片的强度；中部料层上、下两侧的硬质合金材料，可以起到保护层的作用，提高复合片的韧性和抗冲击性，大大改善聚晶金刚石复合片钻进时的受力情况，使其不易崩刃；多层不同种类材料、硬度梯度的设计结构，既利用了碳化钨的化学稳定性和金刚石的高强度、耐磨性，在物理性能上形成与聚晶金刚石层的良好过渡，又通过对中部料层的两侧保护，使该多层聚晶金刚石复合片可以有效降低硬质合金基体与聚晶金刚石层的残余应力，提高金刚石复合片的磨耗比、抗冲击韧性及抗弯强度。本专利技术的多层聚晶金刚石复合片在使用时，硬质合金保护层在钻进冲击力下对中部料层具有保护作用，在钻进一段时间后，硬质合金保护层出现磨损，中部料层主要起到钻进作用，残余硬质合金保护层与中部料层结合紧密，仍有改善金刚石复合片抗冲击韧性及抗弯强度的作用，从而使中部料层不易崩刃，提高聚晶金刚石复合片的使用性能和使用寿命。所述金属结合剂由以下重量百分比的组分组成：Co95％～97％，Ni3％～5％。所述硬质合金保护层的厚度为3～5mm，硬质合金基体的厚度为8～13mm。所述硬质合金保护层、硬质合金基体为钨钴合金、钨钛钴合金或钨钛钽合金，硬质合金保护层、硬质合金基体可采用相同或不同材料。所述碳化钨复合材料层的厚度为0.5～1mm，所述聚晶金刚石层的厚度为1～2mm。聚晶金刚石层由金刚石粉和结合剂烧结而成。优选的，所述聚晶金刚石层由以下重量百分比的原料制成：金刚石粉92～96％，结合剂4～8％。进一步优选的，结合剂由以下重量百分比的组分组成：Co97％～99％，Ni0.68％～1.9％，TaC0.3％～0.6％，B0.02％～0.5％。进一步的，本专利技术提供的多层聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石层优选上述结合剂，可以在高温高压下提高金刚石之间D-D键的成键密度，具有促进烧结的作用，有利于形成强韧的烧结体。各层优选上述参数，可使金刚石复合片的强度、磨耗比、抗冲击韧性得到进一步提高，可以有效解决传统金刚石复合片存在的残余应力大、易崩刃的问题，应用前景良好。本专利技术的多层聚晶金刚石复合片在制备时，由下到上依次设置的硬质合金基体、聚晶金刚石层原料、碳化钨复合材料层原料、硬质合金保护层，经高温高压烧结，即可制成层与层之间紧密结合的烧结体。烧结时，可控制压力为5.2～6.6GPa，温度为1350～1700℃，保温时间为3～45min。进一步优选的，上述多层聚晶金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：1)将碳化钨粉和金属结合剂混合，得到碳化钨混合料；将金刚石粉和结合剂混合，得到金刚石混合料；2)由下到上依次放置硬质合金基体、金刚石混合料、碳化钨混合料、硬质合金保护层，得到复合体组件；3)将复合体组件在450～700℃下真空热处理2～10h，然后在压力为5.2～6.6GPa，温度为1350～1700℃的条件下烧结，即得多层聚晶金刚石复合片。步骤1)中，碳化钨混合料中，金属结合剂优选由以下重量百分比的组分组成：Co95％～97％，Ni3％～5％；碳化钨粉的粒径为15-20μm，Co粉的粒径为1-3μm，Ni粉的粒径为2-4μm。金刚石混合料中，结合剂优选由以下重量百分比的组分组成：Co97％～99％，Ni0.68％～1.9％，TaC0.3％～0.6％，B0.02％～0.5％。金刚石粉的粒径为8～12μm，Co粉和Ni粉的粒径均为30-40nm，TaC粉和B粉的粒径均为20-30nm。碳化钨粉、金刚石粉优选经清洗净化后使用：将碳化钨粉(或金刚石粉)和稀盐酸混合，超声洗涤10～20min，再用丙酮清洗，然后用超纯水洗涤至中性；再在100～200℃下真空干燥2～4h，备用。步骤1)中，所述混合为球磨混合，料/球质量比为1:4～5；采用顺时针、逆时针交替运转进行球磨，其中顺时针运转时的转速为150～250r/min，逆时针运转时的转速为100～200r/min。进一步优选的，先以150～250r/min的转速顺时针球磨20～30min，暂停1min后，再以100～200r/min的转速逆时针球磨20～30min，依次交替进行球磨混料(顺时针、逆时针转换时，暂停1min)，球磨总时间为1.5～2.5h。步骤3)中，真空热处理时，控制真空度≤0.1Pa。步骤3)中，烧结时，在1350～1700℃保温的时间为3～45min。本专利技术提供的多层聚晶金刚石复合片的制备方法，无需昂贵设备，使用原有金刚石复合片生产设备即可满足要求，生产成本低，制备工艺简单，原料易得，所得金刚石复合片综合性能良好，市场价值及应用前景良好，适合工业化推广应用。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。以下实施例中，碳化钨混合料中，原料碳化钨粉的粒径为15-20μm，Co粉的粒径为1-3μm，Ni粉的粒径为2-4μm；金刚石混合料中，金刚石粉的粒径为8-12μm，Co粉和Ni粉的粒径均为30-40nm，TaC粉和B粉的粒径均为20-30nm，均可通过市场常规渠道获得。钨钴合金、钨钛钴合金或钨钛钽合金为市售常规硬质合金。多层聚晶金刚石烧结所用的设备为六面顶压机，将原料制作成烧结组件即可进行烧结。烧结组件的结构为现有技术，其常规结构由外到内依次为密封传压介质、保温介质、石墨发热体、屏蔽层和金刚石复合片合成腔。屏蔽层采用可封闭的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括由下到上依次设置的硬质合金基体、聚晶金刚石层、碳化钨复合材料层及硬质合金保护层，所述碳化钨复合材料层由以下重量百分比的原料制成：碳化钨粉95％～97％，金属结合剂3％～5％。

【技术特征摘要】
1.一种多层聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括由下到上依次设置的硬质合金基体、聚晶金刚石层、碳化钨复合材料层及硬质合金保护层，所述碳化钨复合材料层由以下重量百分比的原料制成：碳化钨粉95％～97％，金属结合剂3％～5％。2.如权利要求1所述的多层聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述金属结合剂由以下重量百分比的组分组成：Co95％～97％，Ni3％～5％。3.如权利要求1所述的多层聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述硬质合金保护层的厚度为3～5mm，硬质合金基体的厚度为8～13mm。4.如权利要求1所述的多层聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述碳化钨复合材料层的厚度为0.5～1mm，所述聚晶金刚石层的厚度为1～2mm。5.如权利要求1所述的多层聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层由以下重量百分比的原料制成：金刚石粉92～96％，结合剂4～8％。6.如权利要求5所述的多层聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述结合剂由以下重量百分比的组分组成：Co97％～99％，Ni0.68％～1.9％，TaC0.3％～0.6％，B0.02％～0.5％...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈培，雷君，
申请(专利权)人：富耐克超硬材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41