多功能型聚晶金刚石复合片的制备方法

摘要

本发明涉及一种多功能型聚晶金刚石复合片的制备方法，采用纳米催化和高压高温梯度合成技术，通过调整原料金刚石各粒径组成和催化与合成工艺，对PDC的微结构和组成进行调控，实现PDC复合片功能的调控和优化，从性能上进一步将PDC细分为抗冲击型、耐磨型和耐高温型三类，以获得三种功能型PDC，实现对现有的市场产品进行功能细分，满足钻采工具切削齿对不同工况和地质微环境的功能性要求。可以显著提高钻头的地层适应性和性价比，使钻探的效率和钻头寿命得到更合理兼顾，更好的发挥PDC的性能，节约硬质合金资源。

权利要求

1.耐磨型聚晶金刚石复合片的制备方法，金刚石粒径60微米用W60代表，金刚石粒径

30微米用W30代表，金刚石粒径10微米用W10代表，三种金刚石粒径用量按重量百分比计，W60为15-30％，W30为30％～50％，W10为20％～45％，添加石墨包裹的纳米钴粉占金刚石总量的质量百分比为4％～12％，按上述取各物质及用量，将石墨包裹的纳米钴粉与金刚石微粉球磨300-900分钟，混合均匀放置真空干燥箱80-100℃下保存备用；称取0.5-2.0g上述混合好的金刚石微粉与硬质合金基体压实组装后置于叶腊石合成模中，放入六面顶金刚石压机；在压力5.5GPa，温度1400-1550℃，合成5-15分钟，卸压后取出样品，经机械抛磨得到耐磨型聚晶金刚石复合片。

2.抗冲击型聚晶金刚石复合片的制备方法，金刚石粒径60微米用W60代表，金刚石粒径30微米用W30代表，金刚石粒径10微米用W10代表，三种金刚石粒径用量按重量百分比计，W60为40-60％，W30为30％～50％，W10为0-20％，添加石墨包裹的纳米钴粉占金刚石总量的质量百分比为4％～12％为催化剂，按上述取各物质及用量，将石墨包裹的纳米钴粉与金刚石微粉球磨300-900分钟，混合均匀放置真空干燥箱80-100℃下保存备用；称取

0.5-2.0g上述混合好的金刚石微粉与硬质合金基体压实组装后置于叶腊石合成模中，放入六面顶金刚石压机；在压力6.0GPa，温度1450-1650℃，合成2-5分钟，卸压后取出样品，经机械抛磨得到抗冲击型聚晶金刚石复合片。

3.耐高温型聚晶金刚石复合片的制备方法，金刚石粒径60微米用W60代表，金刚石粒径30微米用W30代表，金刚石粒径10微米用W10代表，三种金刚石粒径用量按重量百分比计，W60为20-40％，W30为35％～55％，W10为10％～30％，纳米SiC 2.5-4％，以石墨包裹的纳米钴粉占金刚石总量的质量百分比为0～3％为催化剂，按上述取各物质及用量，将石墨包裹的纳米钴粉、纳米SiC与金刚石微粉球磨300-900分钟，混合均匀放置真空干燥箱

80-100℃下保存备用；称取0.5-2.0g上述混合好的金刚石微粉与硬质合金基体压实组装后置于叶腊石合成模中，放入六面顶金刚石压机；在压力5.5GPa，温度1400-1550℃，合成

5-15分钟，卸压后取出样品，经机械抛磨得到耐高温型聚晶金刚石复合片。

4.根据权利要求1-3之一所述的多功能型聚晶金刚石复合片的制备方法，金刚石为普通高纯度金刚石粉、高强金刚石粉和/或含硼金刚石粉。

说明书

多功能型聚晶金刚石复合片的制备方法

技术领域

[0001] 本发明主要应用于地质岩芯钻探、煤田开采、地下瓦斯排放、天然气以及石油开采、工程工具、宝石加工、汽车以及航空航天零部件加工等行业，具体涉及一种高性能低成本的多功能型聚晶金刚石复合片的制备方法。

背景技术

[0002] 聚晶金刚石复合片(PDC)作为钻采工具的关键部件，其性能和功能决定了钻采工具的质量和工效。目前，一般从耐热性、耐磨性和抗冲击性三方面来评价PDC的性能。从技术角度说，PDC的抗冲击性和耐磨性在一定的技术条件下是互为制约和矛盾的，目前各种矿用钻头用PDC切削齿，由于成本和技术限制。性能低，功能单一；石油用PDC作为高端产品，以极高的生产成本和技术较好的达到了二者的平衡，但是限制了PDC在低成本高性能需求市场，特别是一般矿用钻采工具市场的发展。即使价格为市场接受，也存在一些功能的浪费，而另一些功能如锚杆钻头要求的高抗冲击性能却也不能满足一些煤矿的工况钻采设备和地质勘探和钻采条件。

[0003] 目前国内外PDC市场主要是按聚晶金刚石层厚度区分为普通型、加强型，未见按其功能特点进行细分的产品。本发明提出的多功能型聚晶金刚石复合片尚未见国内外文献和专利报道。

发明内容

[0004] 本发明的目的为了克服普通PDC性能低下、油用PDC成本高、资源需求高的缺点，而提供一种在普通PDC生产技术基础上通过精细控制产品配方和生产工艺调控PDC性能制备具有多功能特性的新型多功能型聚晶金刚石复合片的方法，本发明主要是针对钻头不同部位受力不同和工作微环境的不同，在压力5.5-6.0GPa，温度1450-1650℃，采用纳米催化和高压高温梯度合成技术，通过形成化学位和温度场梯度合成碳-碳键结合的聚晶金刚石层，进一步通过调整配方和催化与合成工艺对PDC的微结构和组成进行调控，实现PDC复合片多功能的调控和优化，从性能上进一步将PDC细分为抗冲击型、耐磨型和耐高温型三类，以获得三种多功能型PDC，实现对现有的市场产品进行功能细分，满足钻采工具切削齿对不同工况和地质微环境的功能性要求。可以显著提高钻头的地层适应性和性价比，使钻探的效率和钻头寿命得到更合理兼顾，更好的发挥PDC的性能，节约硬质合金资源。同时也可用于数控机床的刀具。

[0005] 多功能型聚晶金刚石复合片按其功能特点可分为三类：

[0006] 1、耐磨型聚晶金刚石复合片的制备方法，金刚石粒径60微米用W60代表，金刚石粒径30微米用W30代表，金刚石粒径10微米用W10代表，三种金刚石粒径用量按重量百分比计，W60为15-30％，W30为30％～50％，W10为20％～45％，添加石墨包裹的纳米钴粉占金刚石总量的质量百分比为4％～12％，按上述取各物质及用量，将石墨包裹的纳米钴粉与金刚石微粉球磨300-900分钟，混合均匀放置真空干燥箱80-100℃下保存备用；称取0.5-2.0g上述混合好的金刚石微粉与硬质合金基体压实组装后置于叶腊石合成模中，放入六面顶金刚石压机；在压力5.5GPa，温度1400-1550℃，合成5-15分钟，卸压后取出样品，经机械抛磨得到耐磨型聚晶金刚石复合片。金刚石层厚度大于1.5mm，耐热温度不低于800℃，切削SiC砂轮磨耗比约200万。

[0007] 2、抗冲击型聚晶金刚石复合片的制备方法，金刚石粒径60微米用W60代表，金刚石粒径30微米用W30代表，金刚石粒径10微米用W10代表，三种金刚石粒径用量按重量百分比计，W60为40-60％，W30为30％～50％，W10为0-20％，添加石墨包裹的纳米钴粉占金刚石总量的质量百分比为6％～10％为催化剂，按上述取各物质及用量，将石墨包裹的纳米钴粉与金刚石微粉球磨300-900分钟，混合均匀放置真空干燥箱80-100℃下保存备用；称取0.5-2.0g上述混合好的金刚石微粉与硬质合金基体压实组装后置于叶腊石合成模中，放入六面顶金刚石压机；在压力6.0GPa，温度1450-1650℃，合成2-5分钟，卸压后取出样品，经机械抛磨得到抗冲击型聚晶金刚石复合片。金刚石层厚度小于1.2mm，耐热温度不低于800℃，切削SiC砂轮磨耗比约100万。基底合金界面采用了环形结构设计，可以降低因合金界面和金刚石层中的第二相膨胀系数大而产生高热应力集中。从而大大提高了其抗冲击性能。

[0008] 3、耐高温型聚晶金刚石复合片的制备方法，金刚石粒径60微米用W60代表，金刚石粒径30微米用W30代表，金刚石粒径10微米用W10代表，三种金刚石粒径用量按重量百分比计，W60为20-40％，W30为35％～55％，W10为10％～30％，纳米SiC 4-10％，以石墨包裹的纳米钴粉占金刚石总量的质量百分比为4～6％为催化剂，按上述取各物质及用量，将石墨包裹的纳米钴粉、纳米SiC与金刚石微粉球磨300-900分钟，混合均匀放置真空干燥箱80-100℃下保存备用；称取0.5-2.0g上述混合好的金刚石微粉与硬质合金基体压实组装后置于叶腊石合成模中，放入六面顶金刚石压机；在压力5.5GPa，温度1400-1550℃，合成5-15分钟，卸压后取出样品，经机械抛磨得到耐高温型聚晶金刚石复合片。金刚石层厚度大于1.5mm，耐热温度不低于850℃，切削SiC砂轮磨耗比约200万。是专门用于坚硬致密难钻进的岩层，如石英细砂岩层，因岩层致密研磨性强，摩擦升温高，一般的PDC不耐高温容易产生热膨胀应力而崩刃或与基体脱开。

[0009] 金刚石为普通高纯度金刚石粉、高强金刚石粉和/或含硼金刚石粉。市售。从河南中南金刚石工业公司和黄河旋风集团公司购得。

[0010] 本发明主要是针对钻头不同部位受力不同和工作微环境的不同，通过调整配方和催化与合成工艺对PDC的微结构和组成进行调控，实现PDC复合片功能的调控和优化，从性能上进一步将PDC细分为抗冲击型、耐磨型和耐高温型三类，以获得三种功能型PDC，实现对现有的市场产品进行功能细分，满足钻采工具切削齿对不同工况和地质微环境的功能性要求。可以显著提高钻头的地层适应性和性价比，使钻探的效率和钻头寿命得到更合理兼顾，更好的发挥PDC的性能，节约硬质合金资源。

附图说明

[0011] 图1为实施例3样品的差热分析曲线图。

[0012] 图2a为实施例4扫描电镜分析的抗冲击型PDC显微结构。

[0013] 图2b为实施例3耐高温型PDC显微结构。

[0014] 图3为自制的石墨包裹的纳米钴TEM照片。

具体实施方式

[0015] 多功能型复合片的实施涉及合成工艺、配方和基片槽型三者的匹配。

[0016] 1.合成设备和工艺：设备：六面顶金刚石压机。工艺：利用合金基体的钴扩散和石墨包裹的纳米钴粉为催化剂，在压力5.5-6.0GPa，通过形成化学位和温度场梯度合成碳-碳键结合的聚晶金刚石层。合成时间和温度-压力匹配工艺有如下两种方式。

[0017] A、低温较长时间5-15分钟合成，实施例中压力5.5GPa，温度1400-1550℃；例如合成耐磨型和耐高温型PDC。

[0018] B、高温快速2-5分钟合成，实施例中压力6.0GPa，温度1450-1650℃；例如合成抗冲击型PDC。

[0019] 2.材料和配方：

[0020] 金刚石：普通高纯度金刚石粉，高强金刚石粉，含硼金刚石粉。市售，从河南中南金刚石工业公司和黄河旋风集团公司购得。

[0021] 粒度：采用至少三种不同粒度，实施例中分别为粒径60微米，30微米和10微米即W60，W30，W10。

[0022] 钴粉：石墨包裹纳米钴粉，自制，粒度5-20纳米，其显微形貌见附图3的高分辨电镜照片，主要作为金刚石再结晶生长的催化剂。石墨包裹纳米钴的制备方法如下：

[0023] 1、称取1g Co(NO3)2.6H2O，0.6g NaOH，用移液管取60ml乙二醇，将其混合至烧杯中；

[0024] 2、将混合溶液于磁力搅拌器上搅拌3小时，并恒温加热170℃；

[0025] 3、称取25g淀粉于烧杯中，加入30ml蒸馏水，搅拌均匀；

[0026] 4、将以上2、3步制得的溶液混合于烧杯中，置于超声波仪中超声30min后，在空气中干燥24小时；最后将样品放于80℃烘箱中干燥12小时；

[0027] 5、将上述样品置于还原炉通入氢气反应获得金属钴；

[0028] 反应控制如下：

[0029] 室温→300℃ 1h内升温，保温1h，通入氢气30ml/min；

[0030] 300℃→500℃ 保温1h，升温速度5℃/min；

[0031] 500℃→900℃ 保温4h；

[0032] 900℃→室温 自然冷却

[0033] 6、金属钴酸洗：将上述获得的金属钴用1M HNO3溶液浸泡4小时，用蒸馏水洗净后过滤蒸干，即得到石墨包裹的纳米钴粉，钴的粒径大小为5-20纳米。

[0034] 碳化硅粉：SiC，纯度99％，粒度40nm，由河南开尔纳米材料公司生产。

[0035] 三种功能型PDC的具体配比见前述。

[0036] 表1功能型金刚石配比和合成工艺

[0037]

[0038] 多功能型聚晶金刚石复合片的制备方法，(1)各物质的质量份数分别按表1中的量来取，将石墨包裹的纳米钴粉与金刚石微粉球磨300-900分钟，混合均匀放置真空干燥箱80-100℃下保存备用；(2)称取1g混合好的上述金刚石微粉与硬质合金基体压实组装后置于叶腊石合成模中，放入六面顶金刚石压机；(3)根据表1中的合成工艺条件，选择压力和加热功率及合成时间，卸压后取出样品，经机械抛磨得到成品。其中实施例1合成条件为：在压力6.0GPa，温度1650℃，合成2分钟；实施例2合成条件为：在压力5.5GPa，温度1550℃，合成5分钟；实施例3合成条件为：在压力5.5GPa，温度1400℃，合成15分钟；实施例4合成条件为：在压力6.0GPa，温度1450℃，合成5分钟；实施例5合成条件为：在压力5.5GPa，温度1500℃，合成10分钟。

[0039] 下面用实施例3和实施例4制作的耐高温型和抗冲击型PDC来实验分析。

[0040] (1)耐热性能分析：

[0041] 实施例3样品，在空气气氛下加热750-850℃仍保持良好的高温抗磨损性，差热分析(DTA)表明其空气中热分解初始温度高达862℃，1000℃时质量损失仅约48％(见图1)；而磨削超硬碳化硅砂轮时其体积磨耗比也超过了500万。在马弗炉中直接加热至800℃，保温3分钟，空冷后测其磨耗比基本没有损失，磨耗比值为0.97(加热800℃保温3分钟后磨耗比与常温下磨耗比的比值，它可以反映PDC的热稳定性)。磨耗比值最大值为1，接近
1反映其高温热稳定性越好。

[0042] (2)微观结构调控：

[0043] 通过调整PDC原材料配方和催化与合成工艺参数(见前述发明内容部分)，可以实现对PDC微观组织结构特别是晶界微结构和第二相组成与分布的控制，从而强化了PDC的不同特性和功能如高抗冲击性或耐高温性等。下图为实施例4和例3样品的扫描电镜分析的微观结构对比图。

[0044] 使用扫描电子显微镜拍摄高倍率下PDC表面的背散射电子像能够直观地观察PDC中第二相相分布的情形，图2a(对应表1中例4)、图2b(对应表1中例3)中较为明亮的部分对应的是金属结合剂。其含量多少及其分布状况和金刚石晶粒的大小、分布及晶界会直接影响PDC的性能。图2a和图2b比较二者微观结构明显不同，后者结合剂含量很低，金刚石层密度大，硬度更高。

[0045] 显微硬度计测量例3和例4的显微硬度分别为9000和5600kg/mm2，前述差热分析也表明前者有更高的热分解温度，在空气中加热发热峰值为919.2℃，因此具有更高的耐高温性能和极强的抗热应力冲击特性，适合制备石油和硬岩层钻头的切削齿和数控刀具。但后者能以较低的制造成本获得更好的低温抗冲击韧性，适合制备对冲击韧性要求高的锚杆钻头。