[發明專利]一種優化金剛石復合片及其原料優化方法

在審

• 申請號: 201810011456.6
• 申請日: 2018-01-05
• 公開（公告）號: CN108147407A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 李偉
• 申請（專利權）人: 李偉
• 主分類號: C01B32/25
• 分類號: C01B32/25
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 鐘瑩潔

本發明公開了一種優化金剛石復合片及其原料優化方法，所述方法是將合成金剛石晶體或合成金剛石微粉進行高溫或高溫高壓條件下的優化處理，再經后處理得到用于燒結優化金剛石復合片的優化金剛石微粉，所述高溫或高溫高壓條件下的優化處理是在比金剛石合成或金剛石復合片燒結所需的溫度更高的溫度條件下進行的。所述優化金剛石復合片則采用上述原料優化方法制備得到的優化金剛石微粉與作為基體的硬質合金一起燒結得到。采用該優化的金剛石微粉制作的優化金剛石復合片與相同條件下制作的傳統金剛石復合片相比，具有更高的耐磨性、抗沖擊性以及耐高溫性能，使用該優化金剛石復合片制作的產品的加工效率更高且壽命更長。

技術領域

本發明屬于硬質工具的技術領域，更具體地講，涉及一種優化金剛石復合片及其原料優化方法。

背景技術

高溫高壓合成金剛石晶體主要由石墨和金剛石觸媒(主要成分為鐵、鈷、鎳、錳等元素周期表第八族金屬或合金)在高溫高壓條件(5～6GPa，1200～1500℃)下轉化而成。

低壓氣相沉積法(CVD，Chemical Vapor Deposition)合成金剛石晶體一般由甲烷等含碳氣體通過常壓或低壓下的化學氣相沉積法制作而成，包含微波等離子體，熱絲法，直流電弧法等方法。CVD金剛石晶體的合成溫度一般為800～1200℃。

高溫高壓或CVD合成金剛石晶體通過破碎、凈化、分選等工藝流程可以制作成各種粒度的金剛石微粉。

傳統的金剛石復合片一般由碳化鎢硬質合金(碳化鎢微粉和金屬鈷的燒結體)基體和高溫高壓合成金剛石微粉在高溫高壓(5～7GPa，1300～1500℃)條件下燒結而成。金剛石復合片廣泛地應用于機械加工用刀具、石油/地質鉆探用鉆齒、拉絲模等方面。

金剛石復合片的耐磨性、抗沖擊性能、耐高溫性能是最重要的技術指標，直接決定了其使用效果及使用壽命。金剛石復合片的整體性能取決于燒結溫度壓力及燒結時間、金剛石微粉的質量及粒度、金剛石層內部金屬觸媒的含量、硬質合金基體的性能、金剛石層和硬質合金基體之間的接合面結構等眾多因素。

由于金剛石是碳的高壓相，其在常壓下屬于亞穩定狀態，在足夠高溫下會轉變為石墨。由于金剛石復合片中的金剛石微粉的間隙中充滿了金屬觸媒鈷作為結合劑，金屬觸媒的存在會影響金剛石復合片的耐高溫性能：第一，由于金屬觸媒的熱膨脹系數比金剛石高，400度以上的高溫下金屬觸媒的高膨脹率容易在金剛石復合片內部產生裂紋；第二，由于金屬觸媒的存在，在700度以上的高溫下容易發生金剛石到石墨的轉化。

美國發明專利(US4224380)公開了一種金剛石復合片脫鈷的方法，通過酸處理等方法完全去除燒結金剛石層內部的金屬鈷或其它金屬觸媒，可以制作熱穩定金剛石燒結體(TSP)，其耐高溫性可以達到1200度。但是，熱穩定金剛石燒結體(TSP)的抗沖擊性一般比未脫鈷的金剛石復合片相比有明顯下降，限制了其使用領域。

美國發明專利(US6544308，US6592985等)公開了一種金剛石復合片部分脫鈷的方法，通過酸處理等方法去除金剛石層工作表層部分的金屬鈷，從而在保持金剛石復合片整體抗沖擊性能基本不下降的前提下，提高了復合片的耐高溫性能。

以上方法雖然可以去除金剛石微粉之間的金屬鈷或其它金屬觸媒，但是由于高溫高壓合成金剛石微粉的內部仍然含有金屬觸媒作為包裹體，以上方法不能去除高溫高壓合成金剛石微粉內部的金屬觸媒包裹體。同樣，高溫高壓合成金剛石微粉內部的金屬觸媒包裹體的存在會影響金剛石復合片的耐高溫性能：第一，由于金屬觸媒的熱膨脹系數比金剛石高，在400度以上的高溫下，金屬觸媒的高膨脹率有可能在金剛石內部產生裂紋；第二，由于金屬觸媒的存在，在700度以上的高溫下，金剛石容易轉化為石墨。

雖然CVD合成金剛石晶體內部不含有金屬觸媒，但是CVD合成金剛石晶體內部一般含有大量的殘留應力，體現在其顏色大部分為茶色、棕色或咖啡色，并且很易脆。同樣，高溫高壓合成金剛石晶體內部也含有大量殘留應力。合成金剛石晶體及合成金剛石微粉內部的殘留應力會影響金剛石復合片的抗沖擊性能。