一種熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聚晶金剛石復(fù)合片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片，同時(shí)還涉及一種熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline diamond compact, PDC)是將金剛石粉末添加一定的催化劑與硬質(zhì)合金基體組裝在一起后，在專用金剛石液壓機(jī)上在超高溫高壓條件下燒結(jié)制得。它由聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金基體構(gòu)成，由于聚晶金剛石層硬度高，耐磨性好，加上硬質(zhì)合金基體的良好韌性和可焊性，使其在石油鉆探、地質(zhì)鉆探及煤田開采應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。
[0003]在制作PDC過(guò)程中，一般采用鈷、鎳、鐵作為結(jié)合劑制作高耐磨型PDC或采用硅為結(jié)合劑制作耐熱型roc。采用硅作為結(jié)合劑制作的roc，由于Si結(jié)合劑以及形成的SiC等物相與金剛石的熱膨脹系數(shù)相近，熱應(yīng)力較??；而且Si在高溫條件下也不存在對(duì)金剛石的反催化作用，因此硅結(jié)合劑制作的PDC具有較高的熱穩(wěn)定性。但是由于金剛石顆粒間沒(méi)有形成直接結(jié)合，而是形成D-M-D結(jié)構(gòu)(金剛石-中間相-金剛石)，所以該種結(jié)構(gòu)的PDC耐磨性較差。
[0004]采用鈷、鎳、鐵作為結(jié)合劑制作roc，由于鈷的催化作用，金剛石顆粒之間互相直接燒結(jié)在一起形成D-D結(jié)合結(jié)構(gòu)(金剛石-金剛石結(jié)合)，該結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石層的顯微組織是由具有相連骨架結(jié)構(gòu)的金剛石相和彌散分布的“小島狀”金屬相組成。因?yàn)榻饎偸w粒間結(jié)合充分，所以一般采用鈷、鎳、鐵作為結(jié)合劑制作的復(fù)合片具有很高的耐磨性。
[0005]但是，作為高壓下促使石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸慕Y(jié)合劑，金屬鈷、鎳、鐵常壓下也會(huì)促進(jìn)金剛石向石墨的轉(zhuǎn)變，降低聚晶金剛石層的強(qiáng)度；另一方面，金屬鈷的熱膨脹系數(shù)將近是金剛石的10倍，當(dāng)工作溫度很高時(shí)，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，破壞金剛石骨架，使聚晶金剛石出現(xiàn)裂紋，造成應(yīng)力損害。因此，聚晶金剛石層中的金屬相會(huì)因工作點(diǎn)溫度不同在一定程度上降低roc的熱穩(wěn)定性。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，CN104532016A公開了一種基于人造聚晶金剛石復(fù)合片的脫鈷復(fù)合酸的脫鈷方法，是將有機(jī)酸與兩種以上無(wú)機(jī)酸混合制成復(fù)合酸溶液，再將人造聚晶金剛石復(fù)合片在溫度為25?90 °C的復(fù)合酸溶液中浸漬48?72h。該方法利用復(fù)合酸浸漬的方法使聚晶金剛石復(fù)合片脫鈷，從而使金剛石以D-D鍵結(jié)合，減少金剛石晶粒間Co葉脈狀分布的可能，從而提高了聚晶金剛石復(fù)合片的耐磨性。但是，酸浸時(shí)需要將整個(gè)聚晶金剛石復(fù)合片浸漬在復(fù)合酸溶液中，酸液不可避免的會(huì)對(duì)硬質(zhì)合金基體本身及聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合處造成傷害，降低硬質(zhì)合金基體的力學(xué)性能及聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合強(qiáng)度，從而對(duì)聚晶金剛石復(fù)合片的質(zhì)量和耐磨性能造成嚴(yán)重影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片，解決現(xiàn)有酸浸脫鈷降低聚晶金剛石復(fù)合片硬質(zhì)合金基體的力學(xué)性能及聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合強(qiáng)度的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0010]一種熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片，是將高溫高壓合成的聚晶金剛石復(fù)合體的硬質(zhì)合金基體表面包裹塑料層后，再將聚晶金剛石復(fù)合體浸入酸液中進(jìn)行酸煮制備的。
[0011]塑料層包裹在聚晶金剛石復(fù)合體上硬質(zhì)合金基體表面，在酸煮時(shí)只有聚晶金剛石層表面曝露在酸液中，防止酸液對(duì)硬質(zhì)合金基體本身及聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合處造成傷害。
[0012]所述的熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片，具體是由包括下列步驟的方法制備的:
[0013]I)取金剛石微粉、金屬催化劑、硬質(zhì)合金基體裝配成組裝塊，對(duì)組裝塊進(jìn)行真空熱處理后，再進(jìn)行高溫高壓合成，得聚晶金剛石復(fù)合體；
[0014]2)在步驟I)所得的聚晶金剛石復(fù)合體的硬質(zhì)合金基體表面包裹塑料層后，再將聚晶金剛石復(fù)合體浸入酸液中進(jìn)行酸煮，即得所述熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片。
[0015]其中，在聚晶金剛石復(fù)合體的硬質(zhì)合金基體表面包裹塑料層的方法為:在聚晶金剛石復(fù)合體表面注塑形成一層塑料層后，再將聚晶金剛石復(fù)合體上聚晶金剛石層表面的塑料層剝離。
[0016]所有可以用于注塑成型且具有一定耐酸性能的塑料材料都是可用的；優(yōu)選的，所述塑料層的材料為環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。
[0017]能將聚晶金剛石層中金剛石顆粒間隙處的金屬催化劑部分或接近全部去除的酸都可作為酸煮所用的酸液；優(yōu)選的，酸煮所用的酸液為硝酸與氫氟酸的混合物或硝酸與鹽酸的混合物。其中，所述硝酸的質(zhì)量濃度為65%?68%，所述氫氟酸的質(zhì)量濃度為40%，所述鹽酸的濃度為36%?38%。為了提高金屬催化劑的去除效果，進(jìn)一步優(yōu)選的，酸煮所用的酸液為硝酸與氫氟酸的體積比為1:1的混合物，或者硝酸與鹽酸的體積比為1:3的混合物。
[0018]所述硝酸、氫氟酸、鹽酸均為市售分析純。
[0019]所述酸煮的時(shí)間為6?60h。
[0020]步驟I)中，所述金剛石微粉為單一粒度的金剛石單晶或多種粒度金剛石單晶復(fù)配的混合物，粒度極值不超過(guò)0.5?40 μ m。當(dāng)所述金剛石微粉為多種粒度金剛石單晶復(fù)配的混合物時(shí)，在選定一種粒度后，其余粒度尺寸按照顆粒級(jí)配在1.5?5倍范圍內(nèi)選擇。
[0021]合成聚晶金剛石復(fù)合體時(shí)，本領(lǐng)域常規(guī)的用于高溫高壓合成聚晶金剛石復(fù)合片的金屬催化劑都是可用的。為了提高聚晶金剛石復(fù)合片的性能，優(yōu)選的，步驟I)中所述金屬催化劑為Co、Fe、N1、V、Cr中的任意一種或多種的混合物或合金。所述金屬催化劑的粒徑為 0.1 ?20 μ m。
[0022]合成聚晶金剛石復(fù)合體時(shí)，本領(lǐng)域常規(guī)的用于高溫高壓合成聚晶金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金基體都是可用的。為了提高聚晶金剛石復(fù)合片的綜合性能，優(yōu)選的，步驟I)中所述硬質(zhì)合金基體為鎢鈷合金、鎢鈦鈷合金或鎢鈦鉭合金。
[0023]裝配組裝塊時(shí)，先將金剛石微粉和金屬催化劑球磨混料后裝入起屏蔽作用的金屬杯中，然后放入硬質(zhì)合金基體。所述的金屬杯包括但不僅限于起屏蔽作用的鈦杯、鉭杯和鋯杯等。
[0024]步驟I)中，將組裝塊置于真空爐中進(jìn)行真空熱處理。所述真空熱處理的真空度^ 1X10 2Pa,溫度為450?700°C，處理時(shí)間為2?1h。
[0025]步驟I)中，將組裝塊放入傳壓介質(zhì)后進(jìn)行高溫高壓合成。所述高溫高壓合成的壓力為5.2?6.6GPa，溫度為1350?1700°C，保溫時(shí)間為3?30min。
[0026]—種熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片的制備方法，包括將高溫高壓合成的聚晶金剛石復(fù)合體的硬質(zhì)合金基體表面包裹塑料層后，再將聚晶金剛石復(fù)合體浸入酸液中進(jìn)行酸煮，即得所述的熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片。
[0027]本發(fā)明的熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片，是將高溫高壓合成的聚晶金剛石復(fù)合體的硬質(zhì)合金基體表面包裹塑料層后，再將聚晶金剛石復(fù)合體浸入酸液中進(jìn)行酸煮制備的；塑料層包裹在聚晶金剛石復(fù)合體上硬質(zhì)合金基體表面，在酸煮時(shí)只有聚晶金剛石層表面曝露在酸液中，防止酸液對(duì)硬質(zhì)合金基體本身及聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合處造成傷害，從而在保證硬質(zhì)合金基體的力學(xué)性能及聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合強(qiáng)度的前提下，通過(guò)酸煮將聚晶金剛石層中金剛石顆粒間隙處的金屬催化劑部分或接近全部去除，避免了因金屬催化劑的熱脹冷縮、氧化以及對(duì)金剛石的石墨化催化作用而導(dǎo)致聚晶金剛石復(fù)合片機(jī)械性能下降；相對(duì)于現(xiàn)有的聚晶金剛石復(fù)合片，本發(fā)明的熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片具有優(yōu)異的綜合機(jī)械性能，尤其是具有高的熱穩(wěn)定性和耐磨性，適用于石油鉆探、地質(zhì)鉆探及煤田開采等應(yīng)用領(lǐng)域，具有很高的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片的制備流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0030]實(shí)施例1
[0031]本實(shí)施例的熱穩(wěn)定型聚晶金剛石復(fù)合片，是由以下方法制備的(制備流程如圖1所示):
[0032]I)將粒度為6-12 μ m的金剛石微粉和粒度為1_3 μ m的金屬催化劑Co粉球磨混料后裝入起屏蔽作用的金屬杯(鉬杯)中，然后放入鎢鈷硬質(zhì)合金基體，裝配成組裝塊(如圖1(a)所示，其中I為硬質(zhì)合金基體，2為金剛石微粉與金屬催化劑的混料)；將組裝塊置于真空爐中，在真空度為6.0X 10 3Pa、溫度為500°C條件下進(jìn)行真空