[發(fā)明專利]具有控碳層的金剛石復(fù)合片

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810370432.X
• 申請(qǐng)日: 2018-04-24
• 公開（公告）號(hào): CN108705087B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周勃;張琪;張辰;蘇建安;戴文久
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東鉅鑫新材料科技股份有限公司
• 主分類號(hào): B22F5/00
• 分類號(hào): B22F5/00;B22F7/06;E21B10/46
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 俞梁清

本發(fā)明公開了一種具有控碳層的金剛石復(fù)合片，包括聚晶金剛石工作層、硬質(zhì)合金基體以及位于二者之間的控碳層，所述控碳層包括鍍衣金剛石微粉，或過渡金屬、金剛石微粉、和鍍衣金剛石微粉中的至少兩種，所述鍍衣金剛石微粉包括Ti、Cr、W、Ni或Cu鍍衣金剛石微粉中的至少一種。通過在聚晶金剛石工作層和硬質(zhì)合金基體之間增加控碳層來改善PDC的界面性能和表面性能，提高耐熱性、耐磨性和抗沖擊性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超硬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有控碳層的金剛石復(fù)合片。

背景技術(shù)

聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)是由聚晶金剛石層與碳化鎢(WC)硬質(zhì)合金基體兩部分組成的超硬復(fù)合材料，兼具金剛石的硬度、耐磨性及碳化鎢的韌性，廣泛應(yīng)用于各類油氣鉆井的鉆頭。目前，PDC主要通過聚晶金剛石微粉與碳化鎢硬質(zhì)合金基體在高溫高壓下直接燒結(jié)得到，在燒結(jié)過程中，碳化鎢硬質(zhì)合金基體中的鈷(Co)熔融，向金剛石微粉中滲透擴(kuò)散，催化金剛石晶粒之間形成強(qiáng)的d-d鍵，實(shí)現(xiàn)金剛石微粉的粘接。Co上滲會(huì)溶解部分金剛石，此時(shí)聚晶層碳勢(shì)較高，碳容易向基體中逆向擴(kuò)散，使界面處WC-Co體系處于富碳環(huán)境中，導(dǎo)致WC晶粒容易沿著001方向擇優(yōu)生長(zhǎng)成大顆粒的三棱柱晶體，影響耐熱性與沖擊韌性。這是因?yàn)椋?)碳化鎢的脆性較大，大尺寸的碳化鎢晶粒更容易發(fā)生穿晶斷裂，形成裂紋源；2)粘接相Co的自由程較大，在燒結(jié)后難以停留在韌性較好的α相而回到脆性的ε相，不能有效阻止碳化鎢晶粒裂紋的生長(zhǎng)；3)Co相對(duì)于碳化鎢與金剛石而言，熱膨脹系數(shù)更大，較大的Co自由程導(dǎo)致界面處的熱應(yīng)力不均勻，容易產(chǎn)生裂紋，影響耐熱性。此外，聚晶金剛石層與碳化鎢硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)及彈性模量等物性參數(shù)差異也較大，在冷卻過程中硬質(zhì)合金基體收縮更快，導(dǎo)致界面處存在較大的殘余應(yīng)力，層間附著力和抗沖擊性能較差，使聚晶金剛石層在切削過程中易脫落，影響鉆頭的使用壽命。

為解決這一問題，中國專利申請(qǐng)CN201410292965.2提供一種石油鉆探用金剛石復(fù)合片，包括由金剛石聚晶層、過渡層和硬質(zhì)合金基體，該金剛石聚晶層和過渡層中均含有富鈷的納米金屬結(jié)合劑，以改善界面結(jié)合。然而，這種方法易造成金剛石顆粒間的金屬鈷分布不均，極易因熱膨脹系數(shù)的差異而形成大量的熱殘余應(yīng)力，此外，其過渡層中還包括相對(duì)含量較高的WC，WC隨Co運(yùn)輸會(huì)加速WC晶粒的生長(zhǎng)，影響耐熱性和抗沖擊性能。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種金剛石復(fù)合片，通過在聚晶金剛石工作層和硬質(zhì)合金基體之間增加控碳層來改善PDC的界面性能和表面性能，提高耐熱性、耐磨性和抗沖擊性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種具有控碳層的金剛石復(fù)合片，其特征在于，包括聚晶金剛石工作層、硬質(zhì)合金基體以及位于二者之間的控碳層，所述控碳層包括鍍衣金剛石微粉，或過渡金屬、金剛石微粉、和鍍衣金剛石微粉中的至少兩種，所述鍍衣金剛石微粉包括Ti、Cr、W、Ni或Cu鍍衣金剛石微粉中的至少一種。

優(yōu)選地，所述過渡金屬包括Ti、Zr、Ta、Nb、W、Cr、V和Mn中的至少一種，其中Ti、Zr、Ta、Nb和W容易吸收C，形成相應(yīng)的碳化物，降低界面C含量，防止WC晶粒的取向性生長(zhǎng)；Cr、V、Mn可以降低WC-Co體系對(duì)碳的敏感性，減少WC在界面處的偏析。

優(yōu)選地，所述控碳層摻雜稀土元素，所述稀土元素包括Ce、Nd、Pm和Eu中的至少一種，所述稀土元素能抑制WC隨鈷輸運(yùn)，降低WC晶粒的生長(zhǎng)速度，抑制晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)增加工作層金剛石微粉與粘結(jié)劑的結(jié)合力，提高工作層的耐磨性和抗沖擊性能。

更優(yōu)選地，所述過渡金屬或稀土元素的含量為控碳層總重量的0.1-5％。

優(yōu)選地，所述聚晶金剛石工作層與控碳層的重量比為1-10:1-2。

優(yōu)選地，控碳層金剛石微粉的顆粒度大于工作層金剛石微粉的顆粒度。

本發(fā)明對(duì)所述金剛石復(fù)合片的制備方法沒有特別的限定，優(yōu)選地，該制備方法包括以下步驟：