一种定量调节金刚石复合片聚晶层之耐磨性的方法技术

一种定量调节金刚石复合片聚晶层之耐磨性的方法，属于金属材料领域。将球状钴粉和针状钴粉按0.1

【技术实现步骤摘要】
一种定量调节金刚石复合片聚晶层之耐磨性的方法


[0001]本专利技术属于金属材料领域，涉及到一种金刚石复合片的制备方法，特别是精确定量地调节其聚晶层之耐磨性的新技术。
技术背景
[0002]聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC)是一种在超高压(6
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8GPa)、高温(1350
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1500℃)作用下将金刚石微粉与硬质合金烧结成的一体化复合材料，其中聚晶层主要负责提供超高耐磨性和切削能力，而硬质合金则负责提供良好的抗冲击韧性和支撑强度。钴粉作为最常用的粘结剂，常被用到硬质合金及聚晶层的烧结合成中。在制备的PDC复合片中，无论是WC硬质合金，还是金刚石聚晶层，其宏观性能如强度、硬度等，从理论上而言，主要受WC或金刚石晶粒，以及钴成分的晶粒尺寸和形貌决定。在这一产品的烧结制备过程中，钴通常作为常用的粘结剂扮演着重要的角色，除了对WC硬质合金的烧结反应起到关键粘结强化作用，也对聚晶层之金刚石晶粒之间的D
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D键的成键反应起到了关键媒介作用。关于钴对WC硬质合金的性能影响，已经有很多的研究报导。而其对聚晶层的性能影响，前人也做了一些探索和研究，得出了有意义的规律，比如钴的含量高低明显影响着PDC复合片的耐磨性、耐热性等性能。在聚晶金刚石复合片的烧结过程中，作为重要压烧媒介的钴主要来源于硬质合金支撑体，而有时候也往往通过外掺钴粉来补充钴来源。而随着复合片应用场景的复杂化、多样化和特殊需求，对复合片的耐磨性要求不是那么高一些地层，则可以通过外掺钴粉来提供钴源，以补充经典扫越法对压烧工艺的较为苛刻的超高压高温(HPHT)压烧过程独特的控制要求。
[0003]钴作为PDC重要的压烧媒介，不可或缺，但是由于其特殊的理化性质，又导致其存在两面性，即其对金刚石突出的热催化性质，可能导致钻进磨削过程中导致金刚石的石墨化，以及其明显较高的热膨胀系数而可能导致金刚石晶粒间发生胀裂损伤。因此，在如何保证PDC复合片的综合性能要求，是一个挑战性的难题。外加钴源可以实现定点定量的精确添加，甚为方便，但是在实际生产中，由于外掺钴粉容易存在被氧化、吸潮、粘连团聚、分布较宽等问题，通常只被作为辅助手段来使用。另外由于钴和金刚石基体的热膨胀系数存在较大的差异，在高温高压烧结的过程中，过量Co的存在会导致PDC复合片在使用中出现耐磨性差、崩齿、脱层、断裂等失效问题。因此，在制备过程中严格控制钴含量及其钴的分散性、均匀性及钴粉的颗粒形貌等性能是很重要的。
[0004]目前大多数技术对PDC聚晶层的耐磨性的调控，主要通过金刚石微粉配方、合成工艺、外掺添加剂等方式来实现，其中外掺钴量的多少来实现比较简单而方便，因此常常为人所优先采纳。但是，出于对PDC的耐磨性的调节，掺钴量总有限度，因此对掺钴方法的优化和改进就非常重要。因此，普遍常见通过外掺钴粉量来调节聚晶层耐磨性的方法，总存在着一定的局限性，尤其关于钴粉形貌等特征对PDC复合片聚晶层耐磨性的定量调控技术，却没有人报导过。

技术实现思路

[0005]本专利技术公开了一种利用钴粉的特殊形貌特征，来实现对金刚石聚晶复合片之耐磨性定量调控。具体地，选用球形钴粉和针状钴粉，通过搭配不同比例，掺入到金刚石微粉中，混合均匀后，与硬质合金圆柱体按照一定方式装配在一起，并在超高压高温(HPHT)条件下进行，即可制成不同耐磨性的金刚石聚晶复合片。
[0006]本专利技术的技术方案为：一种定量调节金刚石复合片聚晶层之耐磨性的方法，其特征在于，
[0007]1)选用球状钴粉和针状钴粉混合微粉，其中球形钴粉粒度在1
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10微米之间；针状钴粉长度位于1
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10微米之间，径向尺寸在1
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5微米之间；
[0008]2)按照重量比0.1
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10的比例，对球状钴粉和针状钴粉分别进行称量、混合均匀，备用；
[0009]3)将以上混合好的微粉，按照与金刚石微粉重量比例为0.5％
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10％，分别进行称量、掺混到金刚石微粉中得到混合微粉装入耐高温难熔金属金属杯中；
[0010]4)将硬质合金圆柱体轴端插入装有混合微粉的耐高温难熔金属金属杯中，在一定的超高压、高温条件下合成于六面顶压力中，从而得到PDC复合片毛坯。
[0011]5)步骤4所述毛坯首先经过喷砂去除包裹在其表面的所有金属杯子，然后再经过研磨将金刚石聚晶层厚度调整至预定尺寸，以及通过磨床将金刚石复合片外圆尺寸加工到预定尺寸，即可得到在经过机械加工成为所需形状和尺寸规范的成品PDC。
[0012]进一步地，步骤2)所述球形钴粉和针状钴粉的比例分别为1:0.1、1:0.5、1:1、1:2、1:5、1:10。
[0013]进一步地，步骤3)所述混合微粉与金刚石微粉重量比例分别为1％、2％、3％、5％。
[0014][0015]进一步地，步骤4)所述毛坯的具体制备方法为：视复合片尺寸大小，称取1.5
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5克以上混合微粉，装入耐高温难熔金属铌(或锆、钼、钽、钛)圆柱形杯子底部(称为内杯)，并轻轻振动令其均匀铺平、密实，形成平整的粉体堆层；再将一个硬质合金圆柱体(钴含量10
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16％)的轴向一端轻轻地放置在粉体堆层表面，令其充分接触，其中该内杯的尺寸比圆柱形硬质合金的直径大5
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25微米，再将另一个比圆柱体硬质合金圆柱体直径大10
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50微米的耐高温难熔金属铌(或锆、钼、钽、钛)金属杯子(称为外杯)扣到硬质合金圆柱体连同内杯之上一起包裹密实，即装配成所谓的内芯；将以上内芯装入常规的叶腊石传压块后，经过6
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8GPa的超高压压制，所述高温范围为1300
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1700℃的高温烧结，即得到毛坯。
[0016]以上
技术实现思路
的要点和创新点在于球形钴粉和针状钴粉的正确混配，掺入金刚石微粉中，从而与硬质合金圆柱体组装在一起，并在HPHT条件合成出的PDC产品之聚晶层的耐磨性方面实现较为精确的定量调控变化，以满足各种应用场景对PDC耐磨性的具体要求。按照不同比例将球形和针状钴粉混配均匀的混合钴粉，所合成的PDC的磨耗比结果分别入图1、图2、图3所示，从中可见，钴粉的混配比例与立车测试的磨耗比结果之间有着良好的线性对应关系，因此实现了通过调整钴粉形态混配比例从而较为精确、定量地调控PDC耐磨性的目的，为精准控制PDC的耐磨性提供了一种便捷的新技术。本专利技术中所提及的PDC的耐磨性结果测试，是采用将PDC产品以一定接触角和接触面积，在恒速转动的花岗岩圆台型磨盘表面磨削掉一定花岗岩量后对应的聚晶层磨损量的比值做参考值。
[0017]本专利技术和现有技术相比所具有的显著技术增量在于：
[0018](1)本专利技术提供了一种新颖的调节PDC聚晶层耐磨性的定量控制方法。很少有人利用钴粉的形貌特征的差异来实现对聚晶层耐磨性的定量调控，但是本专利技术公开了一种新方法，巧妙地利本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定量调节金刚石复合片聚晶层之耐磨性的方法，其特征在于，1)选用球状钴粉和针状钴粉混合微粉，其中球形钴粉粒度在1
‑
10微米之间；针状钴粉长度位于1
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10微米之间，径向尺寸在1
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5微米之间；2)按照重量比0.1
‑
10的比例，对球状钴粉和针状钴粉分别进行称量、混合均匀，备用；3)将以上混合好的微粉，按照与金刚石微粉重量比例为0.5％
‑
10％，分别进行称量、掺混到金刚石微粉中得到混合微粉装入耐高温难熔金属金属杯中；4)将硬质合金圆柱体轴端插入装有混合微粉的耐高温难熔金属金属杯中，在一定的超高压、高温条件下合成于六面顶压力中，从而得到PDC复合片毛坯；5)将步骤4)所述毛坯首先经过喷砂去除包裹在其表面的所有金属杯子，然后再经过研磨将金刚石聚晶层厚度调整至预定尺寸，以及通过磨床将金刚石复合片外圆尺寸加工到预定尺寸，即可得到在经过机械加工成为所需形状和尺寸规范的成品PDC。2.如权利要求1所述的一种定量调节金刚石复合片聚晶层之耐磨性的方法，其特征在于，步骤1)所述的球形钴粉粒度在1
‑
10微米之间；针状钴粉长度位于1
‑
10微米之间，径向尺寸在1
‑
5微米...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄凯，宋晨杰，刘风琴，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：