本发明属于金刚石与硬质合金复合技术领域，具体涉及一种可激光焊接的金刚石复合片及其制备方法。
背景技术：
金刚石复合片（PDC）是一种新型超硬复合材料，由金刚石微粉与硬质合金基体层在超高压高温条件下复合而成。由于具有高冲击韧性、高耐磨性、高热稳定性已被广泛应用于汽车、航空、航天以及建材等工业领域。传统的金刚石复合片是由金刚石层和硬质合金基体层构成的双层结构的复合超硬材料，由于金刚石复合片的硬质合金层与钢制钻头或刀体材料的热膨胀系数及弹性模量等物理参数相差较大，目前对于PDC工具制作，多采用感应加热钎焊的方式，把金刚石复合片钎焊到钻头或刀体上，其主要缺点是：（1）钎焊高温停留时间长，对金刚石复合片损伤大，在PDC工具使用过程中发现经过焊接受热后其机械性能会明显下降；（2）焊接工艺复杂，焊接效率低下。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单、性能优良，可有效避免对金刚石复合片造成损伤，保障金刚石复合片的良好使用性能，降低焊接工艺难度，提高焊接效率的可激光焊接的金刚石复合片，同时提供一种该金刚石复合片的制备方法。
本发明的技术方案
一种可激光焊接的金刚石复合片，由依次连接的不锈钢基体层、铜基焊片层、硬质合金基体层和金刚石聚晶层构成，四者经高温高压烧结而相互复合形成一种四层材料的超硬复合材料。
所述不锈钢基体层与金刚石聚晶层厚度相同，铜基焊片层厚度为0.10～0.20mm，以增加不锈钢基体层和硬质合金基体层的焊结强度。
所述不锈钢基体层的材料牌号为1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13中的任一种。
所述铜基焊片层由下述重量百分含量的原料制得：Cu48～53.6%、Zn38～42%、Ni 8～9.2%、Mn 0.2～0.4%、Co0.2～0.4%。
所述硬质合金基体层由下述重量百分含量的原料制得：WC粉91.95～93.98%、Hf粉0.02～0.05%和Co粉6～8%，其中，WC粉的粒径在1～1.2µm，Hf粉和Co粉的粒径在1.0～1.2µm之间时效果较好。
所述金刚石聚晶层由下述重量百分含量的原料制得：金刚石微粉95～98%和纳米金属结合剂2～5%，其中，所述金刚石微粉的粒径为2～35µm。
所述纳米金属结合剂由下述重量百分含量的原料制得：Co粉 98～99%、WC粉0.5～1.1%、Hf粉0.3～0.5%、Be粉0.1～0.2%、Li粉0.1～0.2%，该结合剂的各原料以使用分析纯为佳，其中，WC粉和Hf粉粒径在30～40nm，Be粉、Li粉和Co粉粒径在20～30nm时效果更好，更利于增强可激光焊接的金刚石复合片的冲击韧性、耐磨性能和耐热性。
本申请的不锈钢基体层和硬质合金基体层采用本领域的常规方法预先制备即可。
上述可激光焊接的金刚石复合片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将金刚石微粉用混酸溶液煮沸3～5h，用去离子水洗涤至中性，再用的王水煮沸3～5h，并用去离子水洗涤至中性，然后再用碱溶液煮沸2～4h，最后用去离子水煮沸漂洗7～8h，烘干后备用；在600～700℃下，氢气还原炉中还原处理纳米金属结合剂2～3h，备用；
步骤2：按所述配比称取步骤1中处理过的金刚石微粉和纳米金属结合剂，加入无水乙醇放入球磨罐内，在氮气保护下进行球磨混料，料和球的重量比为1∶2～2.5；料和无水乙醇的体积比为1∶1.1～1.3；速转50～60 r/min，球磨时间：12～15小时；
步骤3：将步骤2混合好的金刚石粉和纳米金属结合剂倒入耐高温金属杯内刮平，然后依次放入硬质合金基体层、铜基焊片层和不锈钢基体层，扣上高温金属杯盖，形成复合体组件；
步骤4：将步骤3所得复合体组件置于真空烧结炉中进行真空热处理，温度为700～800℃，时间为100～120min，真空度不大于3×10-3Pa；
步骤5：将经步骤4真空热处理的复合体组件置于合成组装块内，在六面顶压机上对其进行高温高压烧结，所述高温高压烧结具体为一次升压一次升温最后慢降温慢降压退火工艺，烧结温度1450～1500℃，烧结压力为5.5～6GPa，烧结时间25～35min。
优选的，所述步骤1中的混酸溶液由体积比例为0.8～1︰1的硫酸和硝酸制得，金刚石微粉与混酸以1:5体积比混合。
优选的，步骤1中所述的王水由体积比例为0.8～1︰3的盐酸和硝酸制得，金刚石微粉与王水以1:5体积比混合。
优选的，步骤1中所述的碱溶液由体积比例为0.3～0.6︰1.5的氢氧化钾或氢氧化钠与去离子水制得，金刚石微粉与碱溶液以1:7的体积比混合。
优选的，步骤1中所述经去离子水煮沸漂洗后，其去离子水的导电率数值不大于3µS/cm。
优选的，步骤5得到的金刚石复合片，在真空度不大于3×10-3Pa、温度为450～500℃的环境中进行退火处理20～30min，再空冷至常温，效果更佳。
本发明的积极有益效果
本发明通过采用四层结构的金刚石复合片，使金刚石复合片焊接部位与钻头体或刀具体材料物理性能相同或相近，实现金刚石复合片与钻头或刀体有效通过激光进行焊接的目的。上述原料配方的金刚石聚晶层、硬质合金基体层和不锈钢基体层有效确保金刚石复合片焊接后的机械性能，并且由于激光焊接具有时间短、热损伤小的特点，从而共同作用，有效避免在焊接过程中对金刚石复合片造成破坏，并且，利于增加金刚石复合片的耐磨性能，延长使用寿命。
采用上述原料配方和工艺方法制备的金刚石复合片，其磨耗比可有效达到32～36万；热稳定性：在700℃焙烧2分钟以后，磨耗比稳定保持在30～34万。
本发明的金刚石复合片结构简单，制作简便，结构稳定，性能优良，可靠性高，焊接前后金刚石复合片各方面性能保持良好，从而有效延长其使用寿命，值得广泛推广应用。
具体实施方式
以下通过优选实施例对本发明工艺作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种可激光焊接的金刚石复合片，由不锈钢基体层、铜基焊片层、硬质金基体层和金刚石聚晶层四层材料构成，所述铜基焊片层置于不锈钢基体层的上端，硬质合金基体层置于铜基焊片层的上端，金刚石聚晶层置于硬质合金基的上端，四者经过高温高压烧结而相互复合形成一种四层材料的超硬复合材料。所述不锈钢基体层与金刚石聚晶层厚度相同，铜基焊片层厚度为0.10mm；所述不锈钢基体的材料牌号为1Cr13；所述铜基焊片层由下述重量百分含量的原料制得：Cu48%、Zn42%、Ni 9.2%、Mn 0.4%、Co0.4%；所述硬质合金基体层由下述重量百分含量的原料制得：WC粉91.95%、Hf粉0.05%和Co粉8%。其中，WC粉的粒径在1～1.2µm，Hf粉和Co粉的粒径在1.0～1.2µm。所述金刚石聚晶层由下述重量百分含量的原料制得：金刚石粉95%和纳米金属结合剂5%，所述金刚石粉的粒径为2～35µm，所述纳米金属结合剂由下述重量百分含量的原料制得：Co粉 98%、WC粉1.1%、Hf粉0.5%、Be粉0.2%、Li粉0.2%；其中，WC粉和Hf粉粒径在30～40nm，Be粉、Li粉和Co粉粒径在20～30nm。
其制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金刚石微粉用混酸溶液煮沸3h，用去离子水洗涤至中性，再用的王水煮沸3h，并用去离子水洗涤至中性，然后再用碱溶液煮沸2h，最后用去离子水煮沸漂洗7h，烘干后备用，600℃下，氢气还原炉中还原处理纳米金属结合剂2h，备用。其中，混酸由体积比例按0.8︰1的硫酸和硝酸制得，金刚石微粉与混酸以1:5体积比混合；王水由体积比例按0.8︰3的盐酸和硝酸制得，金刚石微粉与王水以1:5体积比混合；碱溶液由体积比例按0.3︰1.5的氢氧化钠和去离子水制得，金刚石微粉与碱溶液以1:7体积混合；所经去离子水煮沸漂洗后，其去离子水的导电率数值3µS/cm。
步骤2，按所述配比称取步骤1中处理过的金刚石微粉和纳米金属结合剂，加入无水乙醇放入球磨罐内，在氮气保护下进行球磨混料，料和球的重量比为1∶2；料和无水乙醇的体积比为1∶1.1；速转50r/min，球磨时间：12小时。
步骤3，先将步骤2混合好的金刚石粉和纳米金属结合剂倒入耐高温金属杯内平，然后依次放入硬质合金基体层、铜基焊片层和合金钢基体扣上高温金属杯盖，形成复合体组件。
步骤4，将步骤3所得复合体组件置于真空烧结炉中进行真空热处理，温度为700℃，时间等于100min，真空不大于3×10-3Pa。
步骤5，将经步骤4真空热处理的复合体组件置于合成组装块内，在六面顶压机上对其进行高温高压烧结，所述高温高压烧结采用一次升压一次升温最后慢降温慢降压退火工艺，烧结温度1450℃，烧结压力为5.5GPa，烧结时间25min。把所得到的金刚石复合片，在真空度不大于3×10-3Pa、温度为450℃的环境中进行退火处理20min，再空冷至常温。
所得金刚石复合片的产品技术指标：磨耗比36万；热稳定性：在700℃焙烧2分钟以后，磨耗比34万，该金刚石复合片磨耗比、热稳定性得到有效改善和提高。
实施例2
一种可激光焊接的金刚石复合片，由依次连接的不锈钢基体、铜基焊片、硬质合金基体和金刚石聚晶层构成，四者经高温高压烧结而相互复合形成四层材料的超硬复合材料。所述不锈钢基体层与金刚石聚晶层厚度相同，铜基焊片层厚度为0.20mm；所述不锈钢基体的材料牌号为2Cr13。所述铜基焊片层由下述重量百分含量的原料制得：Cu53.6%、Zn38%、Ni 8%、Mn 0.2%、Co0.2%；；所述硬质合金基体层由下述重量百分含量的原料制得：WC粉93.98%、Hf粉0.02%和Co粉6%。其中，WC粉的粒径在1～1.2µm，Hf粉和Co粉的粒径在1.0～1.2µm。所述金刚石聚晶层由下述重量百分含量的原料制得：金刚石粉98%和纳米金属结合剂2%。所述金刚石粉的粒径为2～35µm，所述纳米金属结合剂由下述重量百分含量的原料制得：Co粉99%、WC粉0.5%、Hf粉0.3%、Be粉0.1%、Li粉0.1%，其中，WC粉和Hf粉粒径在30～40nm，Be粉、Li粉和Co粉粒径在20～30nm。
其制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金刚石微粉用混酸溶液煮沸5h，用去离子水洗涤至中性，再用的王水煮沸5h，并用去离子水洗涤至中性，然后再用碱溶液煮沸4h，最后用去离子水煮沸漂洗8h，烘干后备用， 700℃下，氢气还原炉中还原处理纳米金属结合剂3h，备用。其中，混酸由体积比例按1︰1的硫酸和硝酸制得，金刚石微粉与混酸以1:5体积比混合；王水由体积比例按1︰3的盐酸和硝酸制得，金刚石微粉与王水以1:5体积比混合；碱溶液由体积比例按0.6︰1.5的氢氧化钾和去离子水制得，金刚石微粉与碱溶液以1:7体积混合；所经去离子水煮沸漂洗后，其去离子水的导电率数值2.95µS/cm。
步骤2，按所述配比称取步骤1中处理过的金刚石微粉和纳米金属结合剂，加入无水乙醇放入球磨罐内，在氮气保护下进行球磨混料，料和球的重量比为1∶2.5；料和无水乙醇的体积比为1∶1.3；速转60r/min，球磨时间：15小时。
步骤3，先将步骤2混合好的金刚石粉和纳米金属结合剂倒入耐高温金属杯内平，然后依次放入硬质合金基体层、铜基焊片层和合金钢基体扣上高温金属杯盖，形成复合体组件。
步骤4，将步骤3所得复合体组件置于真空烧结炉中进行真空热处理，温度为800℃，时间等于120min，真空不大于3×10-3Pa。
步骤5，将经步骤4真空热处理的复合体组件置于合成组装块内，在六面顶压机上对其进行高温高压烧结，所述高温高压烧结采用一次升压一次升温最后慢降温慢降压退火工艺，烧结温度1500℃，烧结压力为6GPa，烧结时间35min。把所得到的复合片放入真空烧结炉内，在真空度不大于3×10-3Pa，温度500℃进行退火处理30min，再空冷至常温。
所得金刚石复合片的产品技术指标：磨耗比33万；热稳定性：在700℃焙烧2分钟以后，磨耗比32万，该金刚石复合片磨耗比、热稳定性得到有效改善和提高。
实施例3
一种可激光焊接的金刚石复合片，由依次连接的不锈钢基体、铜基焊片、硬质合金基体和金刚石聚晶层构成，四者经高温高压烧结而相互复合形成四层材料的超硬复合材料。所述不锈钢基体层与金刚石聚晶层厚度相同，所述不锈钢基体的材料牌号为4Cr13。所述铜基焊片层厚度为0.15mm，由下述重量百分含量的原料制得：Cu50.8%、Zn40%、Ni 8.6%、Mn 03%、Co0.3%；所述硬质合金基体层由下述重量百分含量的原料制得：WC粉92.95%、Hf粉0.025%和Co粉7%，其中，WC粉的粒径在1～1.2µm，Hf粉和Co粉的粒径在1.0～1.2µm。所述金刚石聚晶层由下述重量百分含量的原料制得：金刚石粉96.5%和纳米金属结合剂3.5%，所述金刚石粉的粒径为2～35µm，所述纳米金属结合剂由下述重量百分含量的原料制得：Co粉 98.5%、WC粉0.8%、Hf粉0.4%、Be粉0.15%、Li粉0.15%，其中，WC粉和Hf粉粒径在30～40nm，Be粉、Li粉和Co粉粒径在20～30nm。
其制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金刚石微粉用混酸溶液煮沸4h，用去离子水洗涤至中性，再用的王水煮沸4h，并用去离子水洗涤至中性，然后再用碱溶液煮沸3h，最后用去离子水煮沸漂洗7.5h，烘干后备用，650℃下，氢气还原炉中还原处理纳米金属结合剂2.5h，备用。其中，混酸由体积比例按0.9︰1的硫酸和硝酸制得，金刚石微粉与混酸以1:5体积比混合；王水由体积比例按0.9︰3的盐酸和硝酸制得，金刚石微粉与王水以1:5体积比混合；碱溶液由体积比例按0.45︰1.5的氢氧化钾和去离子水制得，金刚石微粉与碱溶液以1:7体积混合；所经去离子水煮沸漂洗后，其去离子水的导电率数值2.85µS/cm。
步骤2，按所述配比称取取步骤1中处理过的金刚石微粉和纳米金属结合剂，加入无水乙醇放入球磨罐内，在氮气保护下进行球磨混料，料和球的重量比为1∶2.25；料和无水乙醇的体积比为1∶1.2；速转55 r/min，球磨时间：13.5小时。
步骤3，先将步骤2混合好的金刚石粉和纳米金属结合剂倒入耐高温金属杯内平，然后依次放入硬质合金基体层、铜基焊片层和合金钢基体扣上高温金属杯盖，形成复合体组件。
步骤4，将步骤3所得复合体组件置于真空烧结炉中进行真空热处理，温度为750℃，时间等于110min，真空不大于3×10-3Pa。
步骤5，将经步骤4真空热处理的复合体组件置于合成组装块内，在六面顶压机上对其进行高温高压烧结，所述高温高压烧结具体采用一次升压一次升温最后慢降温慢降压退火工艺，烧结温度1475℃，烧结压力为5.7GPa，烧结时间30min，把所得到的复合片放入真空烧结炉内，在真空度不大于3×10-3Pa，温度470℃进行退火处理25min，再空冷至常温。
所得金刚石复合片的产品技术指标：磨耗比36万；热稳定性：在700℃焙烧2分钟以后，磨耗比34万，该金刚石复合片磨耗比、热稳定性得到有效改善和提高。
以下通过试验例对本发明所采用的结构、配方和制备方法作进一步说明：
试验例1
一种金刚石复合片，本试验例与实施例一的不同之处在于：所述铜基焊片层由下述重量百分含量的原料制得：Cu46%、Zn43%、Ni9.8%、Mn 0.6%、Co0.6%；所述硬质合金基体层由下述重量百分含量的原料制得：WC粉91%、Hf粉0.08%和Co粉8.2%，其中，WC粉的粒径在1～1.2µm，Hf粉和Co粉的粒径在1.0～1.2µm。所述金刚石聚晶层由下述重量百分含量的原料制得：金刚石粉94%和上述纳米金属结合剂6%。所述纳米金属结合剂由下述重量百分含量的原料制得：Co粉 97%、WC粉1.4%、Hf粉0.6%、Be粉0.5%、Li粉0.5%；所述金刚石粉的粒径为2～35µm。
其制备方法同实施例1，所得金刚石复合片的产品技术指标：磨耗比30万；热稳定性：在700℃焙烧2分钟以后，磨耗比25万，其磨耗比和热稳定性都显著下降。
试验例2
一种金刚石复合片，本试验例与实施例一的不同之处在于：所述铜基焊片层厚度为0.25mm；所述不锈钢材料的的牌号为4Cr13。所述铜基焊片层由下述重量百分含量的原料制得：Cu54%、Zn37.8%、Ni 7.9%、Mn 0.15%、Co0.15%；所述硬质合金基体层由下述重量百分含量的原料制得：WC粉94.2%、Hf粉0.15%和Co粉5.65%，其中，WC粉的粒径在1～1.2µm，Hf粉和Co粉的粒径在1.0～1.2µm。所述金刚石聚晶层由下述重量百分含量的原料制得：金刚石粉99%和上述纳米金属结合剂1%。所述纳米金属结合剂由下述重量百分含量的原料制得：Co粉99.5%、WC粉0.2%、Hf粉0.2%、Be粉0.05%、Li粉0.05%；所述金刚石粉的粒径为2～35µm。
其制备方法同实施例1，所得金刚石复合片的产品技术指标：磨耗比29万；热稳定性：在700℃焙烧2分钟以后，磨耗比26万。其磨耗比和热稳定性都显著下降。
试验例3
一种金刚石复合片，本试验例与实施例三的不同之处在于：其制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金刚石微粉用混酸溶液煮沸2h，用去离子水洗涤至中性，再用的王水煮沸2h，并用去离子水洗涤至中性，然后再用碱溶液煮沸1h，最后用去离子水煮沸漂洗6h，烘干后备用，580℃下，氢气还原炉中还原处理纳米金属结合剂1.8h，备用。其中，混酸由体积比例按0.7︰1的硫酸和硝酸制得，金刚石微粉与混酸以1:5体积比混合；王水由体积比例按0.7的盐酸和硝酸制得，金刚石微粉与王水以1:5体积比混合；碱溶液由体积比例按0.2︰1.5的氢氧化钾或氢氧化钠和去离子水制得，金刚石微粉与碱溶液以1:7体积混合；所经去离子水煮沸漂洗后，其去离子水的导电率数值5µS/cm。
步骤2，按所述配比称取处理过的金刚石微粉和纳米金属结合剂，加入无水乙醇放入球磨罐内，在氮气保护下进行球磨混料，料和球的重量比为1∶1.5；料和无水乙醇的体积比为1∶1；速转48 r/min，球磨时间：11小时。
步骤3，先将混合好的金刚石粉和纳米金属结合剂倒入耐高温金属杯内平，然后依次放入硬质合金基体层、铜基焊片层和合金钢基体扣上高温金属杯盖，形成复合体组件。
步骤4，将复合体组件置于真空烧结炉中进行真空热处理，温度为680℃，时间等于98min，真空等于4×10-3Pa。
步骤5，将复合体组件置于合成组装块内，在六面顶压机上对其进行高温高压烧结，所述高温高压烧结采用一次升压一次升温最后慢降温慢降压退火工艺，烧结温度1400℃，烧结压力为5GPa，烧结时间22min。把所得到的复合片放入真空烧结炉内，在真空度等于3.3×10-3Pa，温度400℃进行退火处理18min，再空冷至常温。
经测试，所得金刚石复合片的产品技术指标：磨耗比28万；热稳定性：在700℃焙烧2分钟以后，磨耗比18万，其磨耗比和热稳定性都显著下降。
试验例4
一种金刚石复合片，本试验例与实施例三的不同之处在于：其制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金刚石微粉用混酸溶液煮沸6h，用去离子水洗涤至中性，再用的王水煮沸5.5h，并用去离子水洗涤至中性，然后再用碱溶液煮沸5h，最后用去离子水煮沸漂洗8.5h，烘干后备用，710℃下，氢气还原炉中还原处理纳米金属结合剂3.5h，备用。其中，混酸由体积比例按1.1︰1的硫酸和硝酸制得，金刚石微粉与混酸以1:5体积比混合；王水由体积比例按1.1︰3的盐酸和硝酸制得，金刚石微粉与王水以1:5体积比混合；碱溶液由体积比例按0.7︰1.5的氢氧化钾或氢氧化钠和去离子水制得，金刚石微粉与碱溶液以1:7体积混合；所经去离子水煮沸漂洗后，其去离子水的导电率数值4.8µS/cm。
步骤2，按所述配比称取处理过的金刚石微粉和纳米金属结合剂，加入无水乙醇放入球磨罐内，在氮气保护下进行球磨混料，料和球的重量比为1∶2.7；料和无水乙醇的体积比为1∶1.5；速转61 r/min，球磨时间：16小时。
步骤3，先将混合好的金刚石粉和纳米金属结合剂倒入耐高温金属杯内平，然后依次放入硬质合金基体层、铜基焊片层和合金钢基体扣上高温金属杯盖，形成复合体组件。
步骤4，将复合体组件置于真空烧结炉中进行真空热处理，温度为810℃，时间等于121min，真空等于3.3×10-3Pa。
步骤5，将复合体组件置于合成组装块内，在六面顶压机上对其进行高温高压烧结，所述高温高压烧结采用一次升压一次升温最后慢降温慢降压退火工艺，烧结温度1520℃，烧结压力为6.2GPa，烧结时间36min。把所得到的复合片放入真空烧结炉内，在真空度等于3.4×10-3Pa，温度510℃进行退火处理32min，再空冷至常温。
经测试，所得金刚石复合片的产品技术指标：磨耗比26万；热稳定性：在700℃焙烧2分钟以后，磨耗比20万，其磨耗比和热稳定性都显著下降。
通过上述试验例与实施例的产品性能对比分析，可明显得出，本发明所请求保护的技术方案范围之内的配方和工艺方法所生产出的可激光焊接的金刚石复合片，不仅实现了金刚石复合片的激光焊接的目的，而且实现了同时具有较高的磨耗比和热稳定性。
本发明的技术方案并不限制于本发明所述的实施例的范围内。本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。