[发明专利]一种高性能聚晶金刚石复合片及其制备方法

权利要求书

1.一种聚晶金刚石复合片，包括硬质合金衬底，以及在硬质合金衬底表面上的碳化硅-金刚石过渡层和聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层由下述重量百分含量的原料组成：金刚石微粉为90~95%、结合剂为5~10%；所述碳化硅-金刚石过渡层的厚度为20~30μm；所述金刚石微粉为氮离子注入的金刚石微粉，含氮离子的金刚石微粉粒度为5~35µm；所述的结合剂由下述重量百分含量的原料组成：金属元素90~95%、非金属元素3~6%、无机非金属晶须1.5~3%、稀土元素0.5~1%；所述的金属元素由下述重量百分含量的原料组成：Co粉84~90%、Ni粉5~7%、Cr粉2~3%、Ti粉1~2%、Zr粉1~2%、W粉0.5~1%、Mo粉0.5~1%；所述的非金属元素为Si或B的一种或两者的混合物，当为Si和B 两种的混合物时，混合物中B所占重量百分含量为5~10%；所述的无机非金属晶须为氧化锆晶须或硼纤维晶须的一种或两者的混合物，当为两种晶须的混合物时，所述混合物中硼纤维晶须所占重量百分含量为20~40%，晶须长度在100纳米至20微米范围，直径不大于100纳米；所述的稀土元素为Dy或Tm的一种或两者的混合物，当为Dy和Tm两种的混合物时，所述混合物中Tm所占重量百分含量为45~55%。

2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）衬底预处理：先将硬质合金衬底清洗干净，用粒度为0.8~1μm的金刚石微粉、粒度为0.8~1μm碳化硅微粉和丙酮的质量比为1:（40~50）:（800~900）的比例混合而成的晶种悬浮液超声波处理30~35min，并用去离子水清洗后，吹干待用，得到混合种晶后的硬质合金衬底；

2）沉积过渡层：采用化学气相沉积设备，以氢气、甲烷和四甲基硅烷为反应气体，所述甲烷占总气体体积的0.4~3%，四甲基硅烷占总气体体积的0.01~0.25%，真空室气压为3~10kPa，灯丝温度为1500~2600℃，基体温度为700~900℃；在所述种晶后的硬质合金衬底表面沉积形成碳化硅-金刚石过渡层，反应过程中逐渐增加甲烷流量，同时逐渐降低所述四甲基硅烷流量，使所述碳化硅-金刚石过渡层中，碳化硅含量沿厚度增长方向逐渐减少而金刚石含量逐渐增加；

3）氮离子注入金刚石：将普通金刚石微粉放置在离子注入机的真空工作腔中，通过质谱仪将由离子源供给的离子分离为单价氮离子，并加速离子，以5×10¹⁵~5×10¹⁸离子/cm²的离子密度和50~100keV的能量注入到金刚石的表面，得到含氮离子金刚石微粉；

4）混料：按配比称量所述含氮离子金刚石微粉和结合剂，倒入聚四氟乙烯球磨罐内，加入球磨介质、球磨体和成型剂，然后置于球磨机上，在顺时针运转时转速为50~60 r/min，逆时针交替运转时转速为30~40 r/min，顺时针和逆时针交替时间为5min的条件下，混制8~24h，得到金刚石混合料；

5）复合体组装：先将金刚石混合料倒入金属器皿中刮平，再将硬质合金衬底上的过渡层朝下放入金属器皿中，然后经由模具进行预压成型，制得复合体组件；

6）复合体净化处理：将所述复合体组件置于真空加热炉内，进行抽真空和加热，得到净化后的复合体组件；

7）高温高压烧结：将复合体组件置于合成组装块内，用六面顶压机进行高温高压烧结，即得聚晶金刚石复合片，所述高温是指1480~1580℃，高压是指5.5~6.5GPa。

3.根据权利要求2所述聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于，步骤4）中，所述球磨体加入量为料重的3~4倍；所述球磨介质加入量为料重的15~20%；所述成型剂加入量为料重的0.5~2%；所述球磨体为氧化锆球和硬质合金球的任意一种，所述球磨介质为无水乙醇、丙酮和石油醚的任意一种，所述成型剂为PEG-200、PEG-400和PEG-600的任意一种。