CN110094163B - 一种高耐磨聚晶金刚石复合片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高耐磨性的聚晶金刚石复合片。该复合片包括两层，即工作层为聚晶金刚石，支撑层为硬质合金；所述聚晶金刚石层包括沿垂直和径向分布的三层结构，垂直分布结构的第一层毗邻界面，是高温高压烧结的原始层，第二层中间层是脱钴层，第三层最顶层是脱钴和脱钨层；径向结构的三层是从最中心向外分布，金属含量与垂直分布相同。本发明可以大幅度提高聚晶金刚石复合片的耐磨性，同时对抗冲击性和热稳定性也有所改善，从而延长复合片的使用寿命。

Description

一种高耐磨聚晶金刚石复合片

技术领域

本发明涉及超硬材料领域，尤其涉及一种具有高耐磨聚晶金刚石复合片。

背景技术

聚晶金刚石复合片，是将硬质合金基体和金刚石微粉装入金属杯中，在金属催化剂条件下用高温高压烧结而成。金属钴是最常用的金属催化剂，钴的存在可以促进金刚石颗粒之间的交互生长，形成金刚石-金刚石键，这种结构的聚晶金刚石复合片因其兼具良好的耐磨性和高抗冲击性而被广泛应用于石油钻探、地质勘探和机械加工等领域。但钴的热膨胀系数与金刚石差异较大，实际钻探过程中，容易在金刚石与金属钴之间形成微裂纹，引起聚晶金刚石复合片热失效，另一方面金属作为催化剂，高温条件下将促进金刚石石墨化，降低金刚石之间的结合力，进而缩短了聚晶金刚石复合片的使用寿命。

通常在聚晶金刚石复合片中，除了加入金属钴以为，还有金属钨，金属钨的来源有两个，一个是在高温高压烧结前，预先将金刚石颗粒与金属钨混合；另一个是高温高压烧结过程中，硬质合金基体中的钨扫掠到聚晶金刚石层。钨的存在不仅可以与钴产生固溶强化，而且钨作为硬质点，可阻碍位错线运动，从而强化胎体，减少变形量，增强聚晶金刚石复合片的耐磨性，另一方面金属钨属于强碳化元素，钨与金刚石形成碳化钨，强化金刚石与金属结合剂的把持力。但过量的钨也会降低聚晶金刚石复合片的耐磨性。

为了提高聚晶金刚石复合片的耐磨性，常用的方法是对聚晶金刚石片进行脱钴，但脱钨对聚晶金刚石复合片耐磨性、热稳定性和抗冲击性影响的相关报道比较少。本发明通过对聚晶金刚石复合片进行脱钴处理的基础上，再进行脱钨，形成了沿聚晶金刚石层径向和垂直向分布的层级结构。此类型结构可提高聚晶金刚石复合片的耐磨性，大幅度延长使用寿命。

发明内容

为提高聚晶金刚石复合片的耐磨性，本发明通过改善聚晶金刚石层，提供一种脱钴和脱钨的聚晶金刚石复合片，改善聚晶金刚石复合片的耐热性和耐磨性，延长使用寿命。

本发明采用的技术方案为：

一种高耐磨聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层以及与其粘接的硬质合金基体；所述聚晶金刚石层在垂直和径向具有层级结构；所述垂直和径向层级结构具有三层分布，其毗邻界面的第一层是高温高压烧结后形成的原始层，第二层中间层是脱钴层，第三层最上层是脱钨和脱钴层；所述径向三级分布，其中心部位的第一层是高温高压烧结后形成的原始层，第二层中间层是脱钴层，第三层最外层是脱钨和脱钴层。

进一步，所述第一层中，钴含量8~12%，钨含量4~6%；所述第二层脱钴层，钴含量1~3%，钨含量4~6%；所述第三层，钴含量1~2%，钨含量0.5~2%。

进一步，所述聚晶金刚石层厚度2.2mm，其中第一层厚度1.0~1.5mm；第二层厚度0.5~0.8mm；第三层厚度0.1~0.3mm。

进一步，所述聚晶金刚石层脱钴工艺为电解法，配方为碳酸钠/钾、氢氧化钠/钾、氨水和添加剂，温度为30~70℃。

进一步，所述聚晶金刚石层脱钨工艺为酸浸法，配方为王水、硝酸+氢氟酸的混合酸，温度为20~50℃；

进一步，所述脱钴工艺中所用脱钴密封材料为502胶、石蜡、合成橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS中的其中一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的聚晶金刚石复合片，结构简单、耐磨性高。本发明结构的脱钴和脱钨聚晶金刚石复合片，较之普通复合片、单一脱钴以及脱钴后嵌入其他金属等形式的聚晶金刚石复合片，其热稳定性、抗冲击性、耐磨性都有显著的提高，大幅度降低聚晶金刚石复合片的聚晶金刚石层崩刃或脱层现象，从而延长聚晶金刚石复合片的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例一的聚晶金刚石层垂直分布示意图；

图2为本发明实施例二的聚晶金刚石层径向分布示意图；

图3为图2的俯视图；

图中：100-聚晶金刚石层，101-原始层，102-脱钴层，103-脱钴和脱钨层，200-硬质合金基体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步详细的说明。

本发明是一种高耐磨聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层100以及与其粘接的硬质合金基体200；其中聚晶金刚石层100在垂直和径向具有层级结构；所述垂直和径向层级结构具有三层分布；所述垂直三层分布，其毗邻界面的第一层是高温高压烧结后形成的原始层101，第二层中间层是脱钴层102，第三层最上层是脱钨和脱钴层103；所述径向三级分布，其中心部位的第一层是高温高压烧结后形成的原始层101，第二层中间层是脱钴层102，第三层最外层是脱钨和脱钴层103。

实施例1

如图1-图3所示，本实施例的聚晶金刚石复合片为16尺寸样品（直径为15.88 mm），PCD层厚度为2.2 mm。上述聚晶金刚石复合片用高温高压烧结而成，然后用聚丙烯密封，放入碳酸钠、氢氧化钠、氨水和添加剂的电解液进行脱钴，脱钴时间为192h，脱钴后的复合片用聚四氟乙烯密封，放入王水酸浸法进行脱钨，脱钨时间24h。脱钴和脱钨后的复合片，经过水洗和高温烘焙后，用线切割沿复合片直径将聚晶金刚石层切为两半，然后用酒精清洗，清洗后的断层放入SEM中，检测三层结构的厚度，第一层厚度1.2mm，钴含量10%，钨含量4%；第二层厚度0.8mm，钴含量2%，钨含量4%；第三层厚度0.2mm，钴含量1.5%，钨含量1%。以上百分数均为质量分数。

将此聚晶金刚石复合片与传统未脱钴聚晶金刚石复合片和仅脱钴（脱钴深度1mm）的复合片进行实验室对比试验。试验结果表明，此聚晶金刚石复合片耐磨性分别提高50%和15%、抗冲击性提高60%和40%、热稳定性提高45%和8%，且未出现崩刃或脱层等失效方式。

实施例2

如图2所示，本实施例的聚晶金刚石复合片为19尺寸样品（直径为19.05 mm），PCD层厚度为2.2 mm。上述聚晶金刚石复合片用高温高压烧结而成，然后用ABS密封，放入碳酸钾、氢氧化钾、氨水和添加剂的电解液进行脱钴，脱钴时间为120h，脱钴后的复合片用聚四氟乙烯密封，放入硝酸和氢氟酸的混合酸中酸浸法进行脱钨，脱钨时间12h。脱钴和脱钨后的复合片，经过水洗和高温烘焙后，用线切割沿复合片直径将聚晶金刚石层切为两半，然后用酒精清洗，清洗后的断层放入SEM中，检测三层结构的厚度，第一层厚度1.5mm，钴含量10%，钨含量4%；第二层厚度0.6mm，钴含量2.5%，钨含量4%；第三层厚度0.1mm，钴含量1%，钨含量0.5%。以上百分数均为质量分数。

将此聚晶金刚石复合片与传统未脱钴聚晶金刚石复合片和仅脱钴（脱钴深度0.7mm）的复合片进行实验室对比试验。试验结果表明，此聚晶金刚石复合片耐磨性分别提高40%和10%、抗冲击性提高55%和20%、热稳定性提高35%和25%，且未出现崩刃或脱层等失效方式。

要说明的是，以上所述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其它修改，只要没超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。

Claims (2)

1.一种高耐磨性聚晶金刚石复合片，其特征在于：包括聚晶金刚石层和硬质合金基体，所述聚晶金刚石层在垂直具有层级结构，垂直的所述层级结构具有三层分布，其毗邻界面的第一层是高温高压烧结后形成的原始层，第二层中间层是脱钴层，第三层最上层是脱钨和脱钴层；或所述聚晶金刚石层在径向具有层级结构，径向的所述层级结构具有三层分布，径向的所述三层分布为：其中心部位的第一层是高温高压烧结后形成的原始层，第二层中间层是脱钴层，第三层最外层是脱钨和脱钴层；

所述第一层，钴含量8~12%，钨含量4~6%；所述第二层，钴含量1~3%，钨含量4~6%；所述第三层，钴含量1~2%，钨含量0.5~2%，

所述聚晶金刚石层厚度2.2mm，其中第一层厚度1.0~1.5mm；第二层厚度0.5~0.8mm；第三层厚度0.1~0.3mm，

所述聚晶金刚石层脱钴工艺为电解法，配方为碳酸钠/钾、氢氧化钠/钾、氨水和添加剂，温度为30~70℃，

所述聚晶金刚石层脱钨工艺为酸浸法，配方为王水、硝酸+氢氟酸的混合酸，温度为20~50℃。

2.依照权利要求1所述一种高耐磨性聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述脱钴工艺中所用脱钴密封材料为502胶、石蜡、合成橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS中的其中一种。