[其他]多晶金刚石与硬质合金的复合材料的制备方法

说明书

本发明是关于一种多晶金刚石与硬质合金的复 合材料的制做方法。该种材料集金刚石的硬度等特 点与硬质合金的强度等性质于一体，适用于制做地 质钻头，尤其是石油钻头，有色金属、非金属材料 的切割工具、修正工具，及其它超硬耐磨工具等。

通常用的钻头，切割工具等的切割元件为硬质 合金或单晶金刚石。前者硬度低，不耐磨、工效低， 已不能满足日益增多的新材料加工的需要及制做地 质钻头的需要；后者因不易得到大尺寸高质量的晶 体，价格昂贵以及因各向异性而造成的某些面不耐 磨，易碎等原因而受到限制。

多晶金刚石则硬度大，比较容易制取，成本低， 并且各向同性，作为工具材料，其性能超过单晶金 刚石。近来，又开发了多晶金刚石与硬质合金复合 的材料，它可部分地克服了金刚石脆的缺点。因此， 这是一种比较理想的材料。其外形如图1所示。 〔1〕多晶金刚石层〔2〕过渡层。〔3〕硬质合金基底。

现有的制做这种材料的方法(US Patent 3745623 (1973)3767371(1973)〕，是多晶金刚石层是用金 刚石微粉作为原料，由硬质合金基片中扩散出的钴 等元素作用下烧结而成，或多晶金刚石层由金刚石 粉中加入某些元素烧结而成。其不足之处在于工艺 复杂，成本高。并且由于金属的存在其热稳定性差， 用这种材料制做的工具的光洁度也不够高。

本发明的目的是提供一种制造工艺简单，成本低 廉的多晶金刚石与硬质合金的复合材料的制造方法， 而其性能与用金刚石粉为原料的多晶金刚石与硬质 合金的复合材料相当。

达到上述目的方法是：多晶金刚石层的原料是 用石墨在超高压高温条件下石墨在铁族元素合金的 作用下变成金刚石，形成一多晶金刚石层。晶粒之 间交互生长。金刚石晶粒之间键合。金属很少，其 含量可用铁族元素合金的量来控制。多晶金刚石层 与硬质合金基片之间过渡层是用某些耐高温金属粘 结，例如Ti、Zr、Hf等，这些金属能与金刚石、 硬质合金键合，因此，结合强度很高。这一过渡层 还可以部分地清除由于金刚石层与硬质合金基片的 热性能不同而带来的受热后相互分离的问题。

本发明提供用铁族元素合金使石墨变成多晶金 刚石的方法不仅适用于制作多晶金刚石与硬质合金 的复合材料，同时也适用于制做不带硬质合金的任 意形状的多晶金刚石。

这种方法具有工艺简单，成本低廉特点。复合 体的性能，如热稳定性、制做的工具的光洁度等亦 都比较好。

图2绘出了试样的装配方法。〔4〕绝缘管片。 〔5〕铁族元素合金。〔6〕石墨原料。〔7〕石墨加热 管。〔8〕过渡层。〔9〕硬质合金基片。

该种材料是在超高压高温条件下制备的，采用 的是单压源立方体超高压高温设备。

固体传压介质的性能是决定产品质量的重要因 素。本技术中采用了用聚乙烯醇作为粘结剂的粉压 成型叶蜡石块。使用前经950℃焙烧，使其具有最 佳传压性能，超高压高温条件下体积收缩小，热膨 胀大，并且无有害成分。以此来提高硬质合金压头 的寿命和产品质量。

采用简接加热法，碳管作为发热体，陶瓷材料作 为绝缘材料。超高压高温腔体的组装，如图3所示： 〔10〕硬质合金压头。〔11〕导电钢圈。〔12〕导电金属 片。〔13〕试样。〔14〕传压介质。

压力为60仟巴左右，温度为1400℃左右，恒温 时间为3～5分钟。

作为本发明具体实施例一是φ14×4.2m/m的复 合片，多晶金刚石层为0.7mm，硬质合金层为3.5mm。 这种材料与中硬碳化硅砂轮对磨，磨耗比超过10万， 热稳定性良好。900℃的高温对其性能无明显影响。 用这种材料制做的工具光洁度高。用来切割有色金 属和非金属材料，性能良好。