一种聚晶金刚石复合片及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明具体涉及一种聚晶金刚石复合片及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 聚晶金刚石复合片（PolycrystallineDiamondCompact，下简称PDC复合片）是 一种由聚晶金刚石层覆盖在硬质合金基体表面所组成的复合材料。它兼具了聚晶金刚石层 的高耐磨性和硬质合金的韧性、可焊性等优点，因此成为高效的切削工具材料和优良的耐 磨材料，并广泛应用于石油与地质钻探和机械加工等领域。
[0003] 在实际应用中，由于聚晶金刚石复合片（PDC)的催化剂含Co、Ni、Fe等，Co的存在 使复合片在常压下不能耐受700°C的高温，并且，Co存在于金刚石DD键的界面处，Co和金 刚石的膨胀系数不同，会产生热应力，从而造成复合片的应力损坏。
[0004] 目前，高端复合片均通过脱钴处理提高复合片的耐磨性、耐高温性，但脱钴处理只 能使表面脱Co,内层Co仍然存在，在经过一定的磨损后，新的磨损面出现，Co的存在仍然成 为降低复合片的综合机械性能的原因。有研究发现：将含Co的聚晶金刚石复合片脱Co处 理后，复合片表面会出现大量的小孔洞，进而降低复合片的耐磨性。
[0005] 另有研究指出：用化学沉积法（CVD)在脱Co后的PDC表面或内部沉积毫米级的金 刚石薄膜或厚膜，形成金刚石形核，可提升复合片的耐磨性。然而该方法仍然存在以下不 足：即由于聚晶金刚石复合片内部的Co依然存在，而CVD温度一般在800~1000°C，当温 度高于400°C时，Co在金刚石晶粒间开始膨胀，Co体积变大，热应力导致其与金刚石接触部 位的畸变能增大，在聚晶金刚石内部出现大量的热缺陷，导致性能下降。
[0006] 还有研究指出：聚晶金刚石复合片使用不含Co的粘结剂，虽然排除了残余Co对聚 晶金刚石复合片的热稳定性的影响，但此聚晶金刚石复合片不为DD键结合，复合片的耐磨 性变差。
【发明内容】
[0007] 本发明目的在于提供一种聚晶金刚石复合片，同时提供该聚晶金刚石复合片的制 备方法是本发明的第二个发明目的。
[0008] 基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种聚晶金刚石复合片，包括圆柱状的 复合片基体和工作端面，所述复合片基体包括硬质合金基层和硬质合金基层上表面覆盖的 聚晶金刚石层，所述工作端面位于聚晶金刚石层的上端面，所述工作端面上设有多层纳米 金刚石层，每层纳米金刚石层包括两层平均晶粒尺寸不同的纳米晶层。
[0009] 所述聚晶金刚石层的侧面或复合片基体的侧面上均设有多层纳米金刚石层。
[0010] 每层纳米金刚石层包括的两层纳米晶层的平均晶粒尺寸分别为20~40nm和 60~80nm;每层纳米晶层的厚度为0. 3~0. 5μπι。研究发现，若当晶层的晶体尺寸较大 时，达到微米级的晶体尺寸时，脆性较大，且易产生解理面解理，微晶区域容易产生裂纹，并 不能有效阻止裂纹从晶体边界到达硬质合金基体。
[0011] 多层纳米金刚石层的总厚度为6~20μL?。
[0012] -种聚晶金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤： (1) 制备复合片基体：所述复合片基体包括硬质合金基层和硬质合金基层上表面覆盖 的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的上端面加工有工作端面； (2) 前处理：将复合片基体表面抛光、除油、清洗和烘干后，经王水酸化2~5s或用喷 砂机对其表面喷砂后，再经表面除油、清洗、烘干后进入镀膜工序； (3) CVD镀膜：将经过前处理后的复合片基体置于CVD热丝金刚石设备的基片台上，在 复合片基体的工作端面沉积多层纳米金刚石层，每层纳米金刚石层包括两层平均晶粒尺寸 不同的纳米晶层； (4) 对纳米金刚石层表面抛光处理即得聚晶金刚石复合片。
[0013] 步骤（3)中，在对复合片基体的工作端面沉积多层纳米金刚石层的同时，对聚晶金 刚石层的侧面或复合片基体的侧面上沉积多层纳米金刚石层。
[0014] 制备复合片基体的具体操作为：将金刚石粉和粘结剂混合，与硬质铝合金基体在 5~5. 5GPa、1400~1600°C下烧结3~8min得到硬质合金基层上表面覆盖有聚晶金刚石 层的复合片基体毛坯，将复合片基体毛坯通过磨加工、精加工处理后得到聚晶金刚石层的 上端面加工有工作端面的复合片基体；以体积百分比计，所述金刚石粉为45~90%、粘结剂 为10~55% ;所述粘结剂为超硬耐高温陶瓷氮化物材料；所述金刚石粉按以下体积份数配 制：55~60份、2~4μm金刚石粉30~40份、6~8μm金刚石粉5~20份。
[0015] 所述粘结剂为位于化学元素周期表中IVB、VIB、IIIA、IVA元素的氮化物中的一种 或两种以上的组合。
[0016] 所述粘结剂为TiN、ZrN、CrN、A1N和SiN中的三种或三种以上的混合物。
[0017] CVD镀膜具体包括以下步骤： a) 将复合片基体置于CVD热丝金刚石设备的基片台上，抽真空至0. 6~0. 8Pa加热基 体温度至700~900°C，通入014和Η2，真空度至0. 1~0. 3Pa，复合片基体表面形核，同时 通入惰性气体保护，惰性气体的气压〇. 1~〇. 5Pa; b) 调整热丝温度，在复合片基体的工作端面上沉积一层0. 3~0. 5μπι厚的纳米晶层， 该纳米晶层的平均晶粒尺寸为20~40nm; c) 调整热丝温度，在上一步骤形成的纳米晶层上再沉积一层0. 3~0. 5μm厚的纳米晶 层，该纳米晶层的平均晶粒尺寸为60~80nm; d) 重复步骤b)和c)直至镀膜结束。
[0018] 与现有工艺相比，本发明的有益效果为： 1) 本发明所提供的复合片的外层设有多层纳米金刚石层，与硬质合金基层和聚晶金刚 石层配合，提高了聚晶金刚石复合片制品的耐磨性，抗冲击性和韧性，延长了复合片的使用 寿命； 2) 本发明的多层纳米金刚石层采用20~40nm和60~80nm两种不同平均晶粒尺寸的 纳米晶层交替排布而成，整体构成保护膜层，一方面，采用这种交替排布的方式有利于阻挡 裂纹的延伸，使在晶粒尺寸大的纳米晶层处吸收掉部分的裂纹，进一步增加了复合片的抗 冲击性和韧性；另一方面，研究发现，当晶体尺寸较大，达到微米晶体时，脆性较大，且易产 生解理面解理，微晶区域容易产生裂纹，并不能有效阻止裂纹从晶体边界到达基体。因此本 发明纳米晶层的平均晶粒尺寸控制在纳米尺寸范围内，沉积层金刚石的总表面积增加，外 界裂纹沿着晶界扩展，金刚石总表面积的增加，延缓了裂纹向金刚石的深处扩展的进程，复 合片的抗冲击性能和因应力作用的抗涂层脱落能力也因此增强，可大大增强延长了复合片 的寿命； 另外，多层纳米金刚石层交替设置便于涂覆，同时也有利于控制多层纳米金刚石层涂 覆的厚度，方便操作； 最后，对纳米金刚石层的表面后期进行抛光处理后，可以增加加工过程表面的光洁 度； 3) 本发明中聚晶金刚石中的粘结剂采用超硬耐高温氮化物材料，具有较高的硬度，并 且可以耐CVD的高温处理，使制得的PDC复合片不仅具有较高的硬度，并且还可以耐CVD的 高温处理；在制备过程中，对外层的纳米金刚石层进行抛光处理后，表面的光洁度增加，减 少了钻头与岩石摩擦产生的热量，从而延缓钻头的使用寿命； 4) 本发明中对聚晶金刚石层的原料金刚石粉进一步筛选，发现采用粒径不同的金刚石 微粉进行复配时达到的效果最好，即，规避大颗粒金刚石，采用细粒度的金刚石作为不同粒 度配比的主相，比表面增加，活性增大，促进金刚石与固相结合剂的