[發明專利]覆蓋強結合CVD金剛石層的聚晶金剛石復合片的制備方法

有效

• 申請號: 201210385129.X
• 申請日: 2012-10-11
• 公開（公告）號: CN102861917A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 李成明;劉盛;魏俊俊;黑立富
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B22F7/04
• 分類號: B22F7/04;C30B25/02;C30B29/04;C23C16/27
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 于永進

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所屬技術領域

本發明涉及一種覆蓋強結合CVD金剛石層的聚晶金剛石復合片及其制備方法，制備方法綜合了粉末冶金、化學氣相沉積等（Chemical?Vapor?Deposition，以下簡稱為CVD）工藝的優勢，屬于材料、機械以及工具領域。

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背景技術

聚晶金剛石復合片（Polycrystalline?Diamond?Compact，以下簡稱為PDC復合片）是一種由聚晶金剛石（Polycrystalline?Diamond，以下簡稱為PCD）覆蓋在硬質合金基體表面所組成的復合材料。PDC復合片兼具了聚晶金剛石層的高耐磨性和硬質合金的韌性、可焊性等優點，因此成為高效的切削工具材料和優良的耐磨材料，并廣泛應用于石油與地質鉆探和機械加工等領域。

常規的PDC復合片的基本制備過程是采用特殊的結構和方法使聚晶金剛石層和硬質合金之間形成緊密的結合。PDC復合片合成時，硬質合金中的Co、Ni和Fe等成分在高溫高壓下向金剛石粉滲透并促進金剛石顆粒之間以及金剛石顆粒與硬質合金基體之間的粘結和鍵合；同時現今的PCD產業在燒結金剛石粉成PCD時最常使用的粘合催化劑也以含Co為主，通常PCD中催化劑的體積分數在5%~15%之間。這些金屬元素雖然很大程度上促進了PDC復合片的合成，但也為PDC復合片的應用帶來了不利因素。

Co、Ni和Fe可作為石墨和金剛石互相轉變反應的催化劑，雖然在高溫高壓條件下可以促使石墨向金剛石轉變，但是在非高壓或常壓下受熱則會使金剛石向石墨轉變。據報導含Co等金屬的PCD在常壓下只能耐受700℃以下的溫度，700℃以上或者接近700℃長時間工作都會造成PCD材料的失效。然而傳統的PDC復合片無論是作為鉆頭還是切削刀具使用，其工作時在高速磨削作用下加工面局部溫度都能達到或超過700℃。此時PCD層中的Co、Ni和Fe等金屬會促使金剛石向石墨轉變，而且石墨化優先發生在金剛石顆粒間的界面處。一方面，新生的石墨相會在局部中斷金剛石顆粒間的鍵合，這將大大降低PCD層的結合強度；同時另一方面，由于金剛石相石墨化后體積的增大以及Co等金屬的高溫熱膨脹系數遠大于金剛石（在溫度高于400℃時，間隙Co原子的熱膨脹系數開始顯著大于金剛石晶格的熱膨脹系數），因此在高溫下含Co等金屬的金剛石界面處會產生很強的膨脹作用，極易產生裂紋，使PCD層變的疏松，大大降低其強度硬度。

隨著現代石油工業和機械制造業的不斷迅猛發展，鉆頭和刀具所分別要求的鉆進效率和切削加工效率越來越高，相應的磨削時的旋轉速率越來越高，這使得作為鉆頭鉆齒和刀具刀刃的PDC復合片的磨損速率和加工面溫度都不斷攀升，這些對PDC復合片的耐磨性和耐高溫性都提出了更高的要求。傳統的硬質合金與PCD簡單的二元復合結構的PDC復合片的耐磨性和耐高溫性已經不能滿足當今工業的需求，人們開始尋求新的結構或者特殊的處理方法來提高PDC復合片的耐磨性和耐高溫性。

近年來不少學者和工程人員對PDC復合片的制備方案或處理方法提出了改進辦法，以期在提高PDC復合片的耐高溫性的前提下不降低甚至提高其耐磨性。美國專利US6861098中提到了使用其他催化劑替代含Co等VIII族元素催化劑來制備PCD的方法，例如以含Si為主的催化劑以及含Mg、Ca、Sr和Ba的碳酸鹽為主的催化劑，用兩者做催化劑制備出的PCD的耐高溫性都得到了提高，而且耐磨性都與常規的PCD相若。但是兩者的催化效率都十分有限，Si在燒結溫度時幾乎完全轉化為了穩定的SiC，只有少量的Si能繼續起到催化作用，而使用后者時反應過程需要比在常規PCD燒結過程中更高的壓力，而且難以制備出足夠大的、符合商業應用尺寸的PCD。更重要的是，這類催化劑反應后得到的碳化物無法與硬質合金的成分相配合，從而大大降低了與硬質合金復合成PDC復合片的結合強度，這大大限制了這種制備方法的應用。

美國專利US4224380以及歐洲專利EU617207提出了在PDC復合片制備完成后，通過酸洗或其他化學處理的方法去除PCD中的Co等元素的方法，該方法一定程度上提高了PDC復合片的耐高溫性，但是由于腐蝕掉Co等元素后會在表面及一定深度形成小孔洞，因此卻降低了PDC復合片的耐磨性。而且Co等元素的去除只在很有限的深度，隨著PDC復合片使用過程中的磨損，含Co部分的不耐高溫問題仍將存在。