[发明专利]覆盖强结合CVD金刚石层的聚晶金刚石复合片的制备方法

说明书

    

所属技术领域

本发明涉及一种覆盖强结合CVD金刚石层的聚晶金刚石复合片及其制备方法，制备方法综合了粉末冶金、化学气相沉积等（Chemical Vapor Deposition，以下简称为CVD）工艺的优势，属于材料、机械以及工具领域。

 

背景技术

聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，以下简称为PDC复合片）是一种由聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond，以下简称为PCD）覆盖在硬质合金基体表面所组成的复合材料。PDC复合片兼具了聚晶金刚石层的高耐磨性和硬质合金的韧性、可焊性等优点，因此成为高效的切削工具材料和优良的耐磨材料，并广泛应用于石油与地质钻探和机械加工等领域。

常规的PDC复合片的基本制备过程是采用特殊的结构和方法使聚晶金刚石层和硬质合金之间形成紧密的结合。PDC复合片合成时，硬质合金中的Co、Ni和Fe等成分在高温高压下向金刚石粉渗透并促进金刚石颗粒之间以及金刚石颗粒与硬质合金基体之间的粘结和键合；同时现今的PCD产业在烧结金刚石粉成PCD时最常使用的粘合催化剂也以含Co为主，通常PCD中催化剂的体积分数在5%~15%之间。这些金属元素虽然很大程度上促进了PDC复合片的合成，但也为PDC复合片的应用带来了不利因素。

Co、Ni和Fe可作为石墨和金刚石互相转变反应的催化剂，虽然在高温高压条件下可以促使石墨向金刚石转变，但是在非高压或常压下受热则会使金刚石向石墨转变。据报导含Co等金属的PCD在常压下只能耐受700℃以下的温度，700℃以上或者接近700℃长时间工作都会造成PCD材料的失效。然而传统的PDC复合片无论是作为钻头还是切削刀具使用，其工作时在高速磨削作用下加工面局部温度都能达到或超过700℃。此时PCD层中的Co、Ni和Fe等金属会促使金刚石向石墨转变，而且石墨化优先发生在金刚石颗粒间的界面处。一方面，新生的石墨相会在局部中断金刚石颗粒间的键合，这将大大降低PCD层的结合强度；同时另一方面，由于金刚石相石墨化后体积的增大以及Co等金属的高温热膨胀系数远大于金刚石（在温度高于400℃时，间隙Co原子的热膨胀系数开始显著大于金刚石晶格的热膨胀系数），因此在高温下含Co等金属的金刚石界面处会产生很强的膨胀作用，极易产生裂纹，使PCD层变的疏松，大大降低其强度硬度。

随着现代石油工业和机械制造业的不断迅猛发展，钻头和刀具所分别要求的钻进效率和切削加工效率越来越高，相应的磨削时的旋转速率越来越高，这使得作为钻头钻齿和刀具刀刃的PDC复合片的磨损速率和加工面温度都不断攀升，这些对PDC复合片的耐磨性和耐高温性都提出了更高的要求。传统的硬质合金与PCD简单的二元复合结构的PDC复合片的耐磨性和耐高温性已经不能满足当今工业的需求，人们开始寻求新的结构或者特殊的处理方法来提高PDC复合片的耐磨性和耐高温性。

近年来不少学者和工程人员对PDC复合片的制备方案或处理方法提出了改进办法，以期在提高PDC复合片的耐高温性的前提下不降低甚至提高其耐磨性。美国专利US6861098中提到了使用其他催化剂替代含Co等VIII族元素催化剂来制备PCD的方法，例如以含Si为主的催化剂以及含Mg、Ca、Sr和Ba的碳酸盐为主的催化剂，用两者做催化剂制备出的PCD的耐高温性都得到了提高，而且耐磨性都与常规的PCD相若。但是两者的催化效率都十分有限，Si在烧结温度时几乎完全转化为了稳定的SiC，只有少量的Si能继续起到催化作用，而使用后者时反应过程需要比在常规PCD烧结过程中更高的压力，而且难以制备出足够大的、符合商业应用尺寸的PCD。更重要的是，这类催化剂反应后得到的碳化物无法与硬质合金的成分相配合，从而大大降低了与硬质合金复合成PDC复合片的结合强度，这大大限制了这种制备方法的应用。

美国专利US4224380以及欧洲专利EU617207提出了在PDC复合片制备完成后，通过酸洗或其他化学处理的方法去除PCD中的Co等元素的方法，该方法一定程度上提高了PDC复合片的耐高温性，但是由于腐蚀掉Co等元素后会在表面及一定深度形成小孔洞，因此却降低了PDC复合片的耐磨性。而且Co等元素的去除只在很有限的深度，随着PDC复合片使用过程中的磨损，含Co部分的不耐高温问题仍将存在。