專利名稱：Cvd金剛石增強(qiáng)聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用CVD金剛石條作為增強(qiáng)相對普通聚晶金剛石復(fù)合片加以增強(qiáng)后得到的新型聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法，是一種燒結(jié)合成增強(qiáng)型聚晶金剛石復(fù)合片的新方法，屬于材料、機(jī)械以及工具領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact,下簡稱PDC復(fù)合片)是一種由聚晶金剛石層覆蓋在硬質(zhì)合金基體表面所組成的復(fù)合材料。它兼具了聚晶金剛石層的高耐磨性和硬質(zhì)合金的韌性、可焊性等優(yōu)點，因此成為高效的切削工具材料和優(yōu)良的耐 磨材料，并廣泛應(yīng)用于石油與地質(zhì)鉆探和機(jī)械加工等領(lǐng)域。PDC復(fù)合片的基本制備過程是采用特殊的結(jié)構(gòu)和方法使聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金之間形成緊密的結(jié)合。合成的方法主要有兩種直接合成與間接合成。直接合成是指聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體一次性合成，即合成聚晶金剛石層的金剛石粉體直接在基體上高溫高壓燒結(jié)并與基體形成緊密結(jié)合，因此得到的聚晶金剛石層又稱為生長型聚晶金剛石。另外，在燒結(jié)過程中，硬質(zhì)合金中的Ni、Co和W等成分的催化作用亦促進(jìn)了金剛石粉體之間以及與硬質(zhì)合金之間的粘結(jié)和鍵合。間接合成則是先單獨將聚晶金剛石層燒結(jié)成型，再用焊接的方法使聚晶金剛石層緊密結(jié)合到硬質(zhì)合金基體上。盡管PDC復(fù)合片與天然金剛石以及各種硬質(zhì)合金、工具鋼等相比具有更加優(yōu)良的性能，但現(xiàn)代石油工業(yè)和機(jī)械制造加工業(yè)的不斷迅猛發(fā)展仍然不斷地對PDC復(fù)合片的性能和質(zhì)量提出更高要求。在實際應(yīng)用中例如PDC復(fù)合片鉆頭或刀具在工作時，由于高速旋轉(zhuǎn)和切削而受到巨大的剪應(yīng)力作用，因此PDC復(fù)合片的聚晶金剛石層、硬質(zhì)合金基體以及兩者的界面結(jié)合處失效的情況都時有發(fā)生。在PDC復(fù)合片的失效情況中，聚晶金剛石層的脫落占了很大比重。據(jù)美國石油部門的統(tǒng)計分析，在深井鉆孔作業(yè)中，33%的鉆頭失效是由聚晶金剛石層脫落造成的。另外基體的強(qiáng)度、硬度及抗沖擊性的局限也容易造成鉆頭損壞，或者造成聚晶金剛石層的利用率不高而降低鉆頭的使用時效。由此可見，改善界面應(yīng)力、優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)從而獲得更好的界面結(jié)合以及強(qiáng)化、硬化基體都可以更進(jìn)一步提高PDC復(fù)合片的性能和質(zhì)量。美國專利US5662720描述了一種通過在直接合成聚晶金剛石層之前改變硬質(zhì)合金基體結(jié)合面的形貌的方案來增強(qiáng)PDC復(fù)合片的界面結(jié)合力和性能的方法。該專利中的方法是在硬質(zhì)合金基體的結(jié)合面上加工出若干槽道或?qū)⒄麄€結(jié)合面加工至呈“蛋形”(egg-carton shaped)起伏的凹坑和凸起,從而增加燒結(jié)后聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金基體的結(jié)合面積，這樣一來不僅提高了界面結(jié)合力，而且充分利用了特殊形狀的“咬合”關(guān)系來增強(qiáng)PDC復(fù)合片對抗工作中經(jīng)受的剪應(yīng)力的能力。另夕卜，中國專利CN201110148812. 7提到一種用碳納米管的纖維增強(qiáng)效果增強(qiáng)PDC復(fù)合片的方法，具體方案是將碳納米管摻入到燒結(jié)聚晶金剛石的金剛石粉體中，從而增加燒結(jié)后roc復(fù)合片整體的韌性和抗沖擊性能。這些專利中提到的方法都在一定程度上增加了 PDC復(fù)合片的強(qiáng)度和抗沖擊性，也為新的PDC復(fù)合片增強(qiáng)方案打開了思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了進(jìn)一步提高PDC復(fù)合片中聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金基體的結(jié)合強(qiáng)度以及基體的強(qiáng)度，
一種CVD金剛石增強(qiáng)聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，制備步驟如下
(I)使用直流電弧等離子體CVD技術(shù)制備直徑60— 120mm、厚度為2 — 3mm的CVD金剛石自支撐膜。
(2)使用激光切割機(jī)將CVD金剛石自支撐膜分別切割成若干“I”形、“L”形、“T”形以及“工”形的長條。(3)按照圖2—圖5所示的形式，將CVD金剛石條埋入硬質(zhì)合金粉體和聚晶金剛石層粉體中，壓制成坯后，在氫還原氣氛下熱壓燒結(jié)，并退火處理以消除殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力。具體操作過程是①將含有CVD金剛石條的混合粉料置于不銹鋼磨具中，用油壓機(jī)加壓至30MPa制成毛坯； 將冷壓成型的毛坯密封進(jìn)石墨爐膽，并將石墨爐膽放入壓力燒結(jié)爐中；③向爐內(nèi)通入流動氫氣營造還原氣氛，然后在保持壓力P彡SOkN的條件下使?fàn)t內(nèi)溫度以200C /min的升溫速度從室溫升到700°C，保溫30min ;④再以10°C /min的升溫速度從700°C升至最終的燒結(jié)溫度950°C，并保持5min ;⑤繼續(xù)保持壓力和氫還原氣氛，以10°C /min的降溫速度降至500°C，保溫IOmin 撤去壓力載荷，隨爐冷卻至室溫。由于CVD金剛石條與燒結(jié)聚晶金剛石層的金剛石粉同質(zhì)，因此燒結(jié)后的聚晶金剛石層和植入其中的CVD金剛石條間會形成緊密結(jié)合，同時CVD金剛石條的致密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚晶金剛石層，首先將大大提高聚晶金剛石層的強(qiáng)度和抗沖擊性；其次，CVD金剛石條作為增強(qiáng)相整體貫穿于PDC復(fù)合片的聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金基體兩部分，與兩部分分別緊密結(jié)合，相當(dāng)于增加了兩部分的結(jié)合面積和結(jié)合強(qiáng)度；再次，CVD金剛石條位于界面關(guān)鍵位置，起到“咬合”作用，同時其自身的高強(qiáng)度將更有利于PDC復(fù)合片抵御在工作狀態(tài)下承受的巨大剪應(yīng)力；另外，伸入基體中的CVD金剛石條的一部分也對硬質(zhì)合金基體起到增強(qiáng)作用，這將大大提高基體的使用壽命，從而提高聚晶金剛石層的利用率和整個PDC復(fù)合片的使用時效。本發(fā)明的有益效果
大大提高PDC復(fù)合片的強(qiáng)度、抗沖擊性等力學(xué)性能，有效防止在PDC復(fù)合片使用中聚晶金剛石層脫落造成的失效，并提高PDC復(fù)合片的使用壽命。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖I是普通roc復(fù)合片的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2、圖3、圖4和圖5分別是本發(fā)明的4個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。各圖中，I為聚晶金剛石層，2為硬質(zhì)合金基體，3、4、5、6分別為“I”形、“L”形、“T”形以及“工”形CVD金剛石條。
具體實施例方式實施例I :如圖2所示，一種“I”形CVD金剛石條增強(qiáng)聚晶金剛石復(fù)合片制備方法，步驟如下
CVD金剛石自支撐膜激光切割成“ I ”形長條，埋入混合粉體中，壓制成坯、燒結(jié)成型。實施例2 :如圖3所示，一種“L”形CVD金剛石條增強(qiáng)聚晶金剛石復(fù)合片制備方法，步驟如下
CVD金剛石自支撐膜激光切割成“L”形長條，埋入混合粉體中，壓制成坯、燒結(jié)成型。實施例3 :如圖4所示，一種“T”形CVD金剛石條增強(qiáng)聚晶金剛石復(fù)合片制備方法，步驟如下
CVD金剛石自支撐膜激光切割成“T”形長條，埋入混合粉體中，壓制成坯、燒結(jié)成型。實施例4 :如圖5所示，一種“工”形CVD金剛石條增強(qiáng)聚晶金剛石復(fù)合片制備方法，步驟如下
CVD金剛石自支撐膜激光切割成“工”形長條，埋入混合粉體中，壓制成坯、燒結(jié)成型。
權(quán)利要求
1.ー種CVD金剛石增強(qiáng)的聚晶金剛石復(fù)合片，其特征是聚晶金剛石復(fù)合片中復(fù)合進(jìn)了貫通聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金基體接觸界面的、具有特殊形狀的CVD金剛石條；CVD金剛石條有“ I”形、“ L”形、“ T”形以及“エ”形四種，由直流電弧等離子體CVD技術(shù)制備，并經(jīng)激光切割成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CVD金剛石增強(qiáng)聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，其特征是將CVD金剛石條理入硬質(zhì)合金粉體和聚晶金剛石層粉體中，壓制成坯后，在氫還原氣氛下熱壓燒結(jié)，并退火處理以消除殘余應(yīng)カ和熱應(yīng)カ；具體操作過程是①將含有CVD金剛石條的混合粉料置于不銹鋼磨具中，用油壓機(jī)加壓至30MPa制成毛坯將冷壓成型的毛坯密封進(jìn)石墨爐膽，并將石墨爐膽放入壓カ燒結(jié)爐中；③向爐內(nèi)通入流動氫氣營造還原氣氛，然后在保持壓カP彡SOkN的條件下使?fàn)t內(nèi)溫度以20°C /min的升溫速度從室溫升到700°C，保溫30min ;④再以10°C /min的升溫速度從700°C升至最終的燒結(jié)溫度950°C，并保持5min ；⑤繼續(xù)保持壓カ和氫還原氣氛，以10°C /min的降溫速度降至500°C，保溫IOmin 撤去壓カ載荷，隨爐冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用CVD金剛石增強(qiáng)的聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法，屬于材料、機(jī)械以及工具領(lǐng)域。本發(fā)明通過向聚晶金剛石和硬質(zhì)合金粉體中植入CVD金剛石條作為增強(qiáng)相，壓制成坯后再經(jīng)高溫高壓燒結(jié)工藝和適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，從而燒結(jié)得到新型的、CVD金剛石增強(qiáng)的聚晶金剛石復(fù)合片。經(jīng)CVD金剛石條復(fù)合增強(qiáng)后的聚晶金剛石復(fù)合片，將在不降低材料耐磨性的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)聚晶金剛石層和基體的結(jié)合力，提高聚晶金剛石復(fù)合片整體的強(qiáng)度和抗沖擊性，增加復(fù)合片的使用壽命。經(jīng)CVD金剛石條植入增強(qiáng)后的聚晶金剛石復(fù)合片更適應(yīng)于石油與地質(zhì)鉆探和機(jī)械加工領(lǐng)域的發(fā)展對材料提出的新要求。
文檔編號B32B15/04GK102700191SQ201210200
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者劉盛, 劉金龍, 李成明, 陳良賢, 魏俊俊, 黑立富 申請人:北京科技大學(xué)