[發明專利]一種高熱穩定性聚晶金剛石復合片

在審

• 申請號: 201610027094.0
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號: CN105672891A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 劉寶昌;韓磊
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21B10/46
• 分類號: E21B10/46
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本發明涉及一種金剛石復合片，具體涉及一種具有高熱穩定性聚晶金剛 石復合片及制備方法，屬材料學領域。

背景技術

聚晶金剛石復合片是利用超高壓高溫技術，將金剛石微粉燒結成聚晶體 并同時復合到硬質合金基體上的一種超硬材料，集金剛石的超高硬度與硬質 合金的高強度于一體，同時具有易焊接的優點。

在聚晶金剛石復合片的制備過程中，當燒結溫度升高到1300℃以上時，硬 質合金基體中的鈷(Co)開始融化并進入金剛石微粉之間的空隙，同時在高 壓的作用下，促進金剛石-金剛石鍵(D-D鍵)的形成，即形成金剛石聚晶體。 燒結完成后，在復合片的金剛石層中一般會殘留一定量的鈷。當金剛石復合 片再次受到高溫(如焊接或在工作過程中)時，由于鈷是金剛石的催化劑， 在常壓高溫下會促進金剛石向石墨轉變，破壞金剛石-金剛石鍵合，從而使金 剛石復合片的性能急劇下降。此外，鈷與金剛石的熱膨脹系數相差很大，在 高溫作用下，會在復合片的金剛石層中產生熱應力和微裂紋，這也是導致金 剛石復合片性能下降的一個原因。

聚晶金剛石復合片的一個重要應用領域是制造油氣鉆井或地質鉆探用鉆 頭。金剛石復合片鉆頭在軟到中硬的、比較均質的地層中具有鉆速快、效率 高等明顯的優勢，但在堅硬、強研磨性和軟硬交錯等非均質地層中，仍然存 在著鉆速低、壽命短的難題。限制金剛石復合片鉆頭在堅硬的研磨性地層中 使用效果的主要原因是：高接觸壓力和巖石的高研磨性導致金剛石復合片與 巖石相互作用面上的摩擦溫度過高，從而使復合片強度降低，磨損速度加快。 當溫度超過350℃，金剛石復合片的磨損速度比正常值高1～2個數量級。而當 金剛石復合片與巖石間的摩擦溫度超過750℃時(在鉆進硬的研磨性地層時很 容易達到此溫度)，復合片將很快由于熱磨損而失效。為解決上述難題，除了 需要針對不同地層優化金剛石復合片鉆頭的結構及鉆井參數外，研制具有高 熱穩定性的聚晶金剛石復合片至關重要。

目前國內外有用碳化硅或其它陶瓷材料代替金屬粘接劑鈷作為粘結相的 聚晶金剛石復合材料，但都沒有實現與硬質合金基體的可靠結合，都是單獨 使用。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有高熱穩定性的聚晶金剛石復合片及制備方 法。

本發明之具有高熱穩定性聚晶金剛石復合片具有三層結構，最上層為由 碳化硅粘結的高耐熱性聚晶金剛石，中間過渡層為由鈷粘結的聚晶金剛石， 最下層為硬質合金襯底，采用雙面滲透的方法，最上層的硅材料向中間的金 剛石微粉滲透，最下層硬質合金中的鈷也同時向中間的金剛石微粉滲透。該 聚晶金剛石復合片采用高溫高壓燒結工藝制備，可實現傳統金剛石復合片材 料難以達到的耐熱性能，從而提高金剛石工具的工作效率和使用壽命。

所述的金剛石復合片以WC-Co硬質合金為底。

所述的聚晶金剛石復合片是由硅粉或硅片、金剛石微粉、硬質合金基體 材料組成。

所述的硅粉，其粒度為1-20μm，純度99.9％以上。

金剛石微粉的粒度為10/20μm，20/30μm、30/40μm(其中10/20μm的D50 值在16-17μm；20/30μm的D50值在24-25μm；30/40μm的D50值在 32-33μm)，將上述不同粒度的金剛石微粉按照重量比4：3：2混合；

硬質合金基體的牌號為YG16。

所述的金剛石微粉為人造金剛石顆粒。

本發明之具有高熱穩定性聚晶金剛石復合片的制備方法包括以下步驟：

(1)、聚晶金剛石復合片是由硅粉或硅片、金剛石微粉、硬質合金基體 材料組成；

(2)、將10/20μm，20/30μm、30/40μm的金剛石微粉按照重量比4：3： 2混合，用三維混料機混合24小時，機械球磨混料形成均勻混合粉末；

(3)、將步驟(2)中所述制得的金剛石微粉、硅粉以及硬質合金基體在 難熔金屬杯中進行組裝；先加入厚度為0.1～0.2mm的硅粉，再加入厚度為 0.8mm金剛石微粉，最后放入硬質合金基體；

(4)、將步驟(3)中所得金屬杯組裝體放入由葉臘石、導電堵頭組成的 高壓合成元件中，用六面頂壓機進行高溫高壓燒結，燒結條件為：壓力 5.5-7GPa，溫度1650℃-1750℃，保溫保壓時間為10min。