CN102174877A - 一种聚晶金刚石复合片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚晶金刚石复合片，本发明所提供的聚晶金刚石复合片不是将聚晶金刚石层和硬质合金层直接结合，而是在两层之间增加过渡层。过渡层可以是单层也可以是多层，根据不同的目的，过渡层的组成成分也有所不同。由于在聚晶金刚石层和硬质合金层之间增加了过渡层，不仅能改善聚晶金刚石复合片的界面结合情况，减少界面应力，还能同步提高聚晶金刚石复合片的耐磨性和抗冲击韧性。

Description

一种聚晶金刚石复合片

技术领域

本发明涉及超硬材料领域，特别是一种具有过渡层的聚晶金刚石复合片。

背景技术

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compacts，简称PDC)是由聚晶金刚石层与硬质合金层构成的超硬复合材料。由于它有金刚石聚晶层极高的耐磨性和硬质合金的抗冲击韧性，广泛地应用于地质和石油钻探中。尽管将聚晶金刚石层（Polycrystalline Diamond，简称PCD）和硬质合金连接在一起可以将这两种材料的优点综合在一种单一的产品中。但是由于这两种材料性质上的固有差异，它们的界面就成了这种产品最脆弱的区域。而现有的聚晶金刚石复合片都是将聚晶金刚石层与硬质合金层直接结合，为了提高聚晶金刚石复合片的界面结合状况，一般都是将硬质合金层与聚晶金刚石层之间采用台阶形、槽形或凸凹形等几何形式联结，达到增加结合强度的目的。

目前，聚晶金刚石复合片主要是聚晶层和硬质合金层直接结合，由于在高温高压烧结过程中，聚晶金刚石层与硬质合金层的热膨胀系数及弹性模量等物性参数相差较大（聚晶金刚石层：热膨胀系数2.6×10^-6·K^-1，弹性模量890Gpa；硬质合金层：热膨胀系数5.4×10^-6·K^-1，弹性模量580Gpa），当两组材料直接结合，因为聚晶金刚石的热膨胀系数小于硬质合金，在加热后的冷却过程中，硬质合金收缩得快，而聚晶金刚石层收缩得慢。因此在径向，硬质合金层形成拉应力，聚晶金刚石层形成压应力。在轴向，临近界面处产生拉应力。导致聚晶金刚石与硬质合金层的附着力减低，聚晶金刚石层抗冲击力下降，在工作时易脱落，造成钻头失效等。

与平直界面结合相比，将界面采用台阶形、槽形或凸凹形等几何形式联结，可以增强界面的结合强度，但并没有改变聚晶金刚石层和硬质合金层两种材料属性的差异。经过高温高压合成后，反而容易在界面处出现高度的局部化的应力集中，这将导致具有突然失效的破裂产生，影响聚晶金刚石复合片的使用寿命。

而且在聚晶金刚石复合片工作过程中，要求聚晶金刚石层同时具有较好的抗冲击韧性和耐磨性。而在实际生产过程中，聚晶金刚石层的抗冲击韧性和耐磨性可以通过金刚石颗粒的粒度大小来调节，但提高抗冲击韧性和耐磨性这两项性能对金刚石微粉粒度粗细的要求是相互矛盾的。前者要求增大金刚石微粉的粒度，后者要求减小金刚石微粉的粒度。显然对于单层聚晶金刚石层的聚晶金刚石复合片而言，要解决这对矛盾是很困难的。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有过渡层的聚晶金刚石复合片，旨在解决现有聚晶金刚石复合片采用单一的聚晶层和硬质合金层直接结合方法所存在的问题。

本发明的技术方案如下：

一种聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石复合片由聚晶金刚石层、硬质合金层和过渡层组成；所述过渡层是在聚晶金刚石层和硬质合金层之间。

所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述过渡层，按质量比，包括以下组份：

5～40um粒度的金刚石颗粒           60～70%

1～10um粒度的碳化钨颗粒           20～30%

5～10um粒度的结合剂               5～15%

所述结合剂为金属结合剂，由Fe、Co或Ni金属颗粒组成；

所述过渡层与聚晶金刚石层的厚度比为0.5～1。

所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述过渡层，还包括1～5um粒度的碳氮化钛0～10%。

所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述过渡层由第一过渡层和第二过渡层组成；靠近聚晶金刚石层的过渡层为第一过渡层，靠近硬质合金层的过渡层为第二过渡层；

所述第一过渡层和第二过渡层的组份为不同配比的金刚石颗粒、碳化钨颗粒和结合剂。

所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述第一过渡层，按质量比，包括以下组份：

5～40um粒度的金刚石颗粒            70～80%

1～10um粒度的碳化钨颗粒            10～20%

5～10um粒度的结合剂                5～15%

所述第二过渡层，按质量比，包括以下组份：

5～40um粒度的金刚石颗粒            50～60%

1～10um粒度的碳化钨颗粒            30～40%

5～10um粒度的结合剂                5～15%

所述结合剂为金属结合剂，由Fe、Co或Ni金属颗粒组成；

所述第一过渡层与第二过渡层的厚度比为0.7～1.5；

所述过渡层与聚晶金刚石层的厚度比为0.5～1。

所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述第一过渡层和第二过渡层分别还包括1～5um粒度的碳氮化钛0～10%。

所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述过渡层的成分为10～40um粒度金刚石颗粒，聚晶金刚石层选择粒度为5～20um的金刚石颗粒；

所述过渡层还可以添加粒度为5～10um的结合剂，添加比例为0～20%；

所述聚晶金刚石层和过渡层的厚度比为0.5～1。

所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述过渡层包括第一过渡层和第二过渡层；靠近聚晶金刚石层的过渡层为第一过渡层，靠近硬质合金层的过渡层为第二过渡层；

所述第一过渡层的成分为金刚石颗粒，还可以添加粒度为5～10um的结合剂，结合剂的添加比例为0～20%；

所述第二过渡层是由单层的金刚石颗粒、碳化钨颗粒、结合剂颗粒、碳氮化钛颗粒的混合物构成；

所述第一过渡层与第二过渡层的厚度比0.7～1.5；

所述过渡层与聚晶金刚石层的厚度比为0.5～1。

所述的聚晶金刚石复合片，其中，所述过渡层包括第一过渡层和第二过渡层；靠近聚晶金刚石层的过渡层为第一过渡层，靠近硬质合金层的过渡层为第二过渡层；

所述第一过渡层的成分为金刚石颗粒，还可以添加粒度为5～10um的结合剂，结合剂的添加比例为0～20%；

所述第二过渡层是由多层的金刚石颗粒、碳化钨颗粒、结合剂颗粒、碳氮化钛颗粒的混合物构成；

所述第一过渡层与第二过渡层的厚度比0.7～1.5；

所述过渡层与聚晶金刚石层的厚度比为0.5～1。

有益效果：本发明提供的聚晶金刚石复合片不是将聚晶金刚石层和硬质合金层直接结合，而是在两层之间增加过渡层。由于在聚晶金刚石层和硬质合金层之间增加了过渡层，不仅能改善聚晶金刚石复合片的界面结合情况，减少界面应力，还能同步提高聚晶金刚石复合片的耐磨性和抗冲击韧性。

附图说明

图1为本发明实施例1中聚晶金刚石复合片的剖面结构示意图。

图2为本发明实施例2中聚晶金刚石复合片的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例3中聚晶金刚石复合片的剖面结构示意图。

图4为本发明实施例4中聚晶金刚石复合片的剖面结构示意图。

图5为本发明实施例5中聚晶金刚石复合片的剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种聚晶金刚石复合片，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的聚晶金刚石复合片与常规的聚晶金刚石复合片不同之处在于，所述的聚晶金刚石复合片不是将聚晶金刚石层和硬质合金层直接结合，而是在两层之间增加过渡层。其中，过渡层可以是单层的，也可以是多层的。过渡层的主要成分为金刚石颗粒，根据不同的目的，可以在过渡层中添加适量的其他组份，如碳化钨颗粒、结合剂、碳化物、氮化物、碳氮化物颗粒。

当以聚晶金刚石复合片界面结合强度为目的时，过渡层可以采用金刚石颗粒、碳化钨颗粒、结合剂混合或再适当添加少量的碳化物、氮化物、碳氮化物颗粒，达到形成微量的碳化物和碳氮化物的目的，增强复合层的结合，强度提高其抗冲击韧性。过渡层可以是单层也可以将金刚石颗粒与碳化钨的以不同的比例混合，分成多层。靠近聚晶金刚石层的过渡层的金刚石颗粒比例较高，而靠近硬质合金层的过渡层的碳化钨含量较高。这样过渡层的物理性能（包括过渡层的热膨胀系数、弹性模量等）就介于聚晶金刚石层与硬质合金层之间，有利于释放界面应力，达到提高界面结合强度的目的。

当以兼顾提高聚晶金刚石复合片的抗冲击韧性和耐磨性为目的时，过渡层的组成成分可以选择与聚晶金刚石层不同粒度的金刚石颗粒，加入少量的结合剂。

当以同时提高界面的结合强度、聚晶金刚石复合片的抗冲击韧性和耐磨性为目的时，可结合以上的两种方案，以将过渡层设置成两层或两层以上，靠近聚晶金刚石层的过渡层选择由粒度较粗的金刚石颗粒与结合剂混合组成，靠近硬质合金层的过渡层可以过渡层可以采用金刚石颗粒、碳化钨颗粒和结合剂混合或再增加少量的金属碳化物。

本发明实施例中所用的结合剂为金属结合剂，由Fe、Co或Ni金属颗粒组成。

本发明实施例中聚晶金刚石层1一般选择5～40um粒度的金刚石颗粒。

实施例1

如图1所示，聚晶金刚石复合片包括以下三个组成部分：聚晶金刚石层1，过渡层2，硬质合金层3。过渡层2与硬质合金层3复合的界面为平面或凹凸面。过渡层2选择金刚石颗粒、碳化钨颗粒和结合剂混合，或再添加适量的碳氮化钛颗粒。按质量比，选择5～40um粒度的金刚石颗粒60～70%；1～10um粒度的碳化钨颗粒20～30%；5～10um粒度的结合剂5～15%；或再添加粒度为1～5um的碳氮化钛0～10%。过渡层2与聚晶金刚石层1的厚度比为0.5～1。室内试验证明，与现有同规格聚晶金刚石复合片相比，本方案制备的聚晶金刚石复合片性能检测表明其界面结合强度比聚晶金刚石层与硬质合金层直接结合的聚晶金刚石复合片界面结合强度提高了20～30%。

实施例2

如图2所示，与实施例1不同之处在于过渡层是由第一过渡层21和第二过渡层22组成，靠近聚晶金刚石层1的为第一过渡层21，靠近硬质合金层3的为第二过渡层22。第一过渡层21和第二过渡层22是两层不同配比的金刚石颗粒、碳化钨颗粒和结合剂混合，或再适当添加少量的碳氮化钛颗粒构成。与聚晶金刚石层1复合的第一层过渡层21的组成成分为：5～40um粒度的金刚石颗粒70～80%；1～10um粒度的碳化钨颗粒10～20%；5～10um粒度的结合剂5～15%；或再添加颗粒为1～5um粒度的碳氮化钛0～10%。第二层过渡层22的组成成分为：5～40um粒度的金刚石颗粒50～60%；1～10um粒度的碳化钨颗粒30～40%；5～10um粒度的结合剂5～15%；或再添加粒度为1～5um的碳氮化钛0～10%。第一过渡层21与第二过渡层22的厚度比为0.7～1.5。过渡层与聚晶金刚石层的厚度比为0.5～1。室内试验证明，与现有同规格聚晶金刚石复合片相比，本方案制备的聚晶金刚石复合片性能检测表明其界面结合强度比聚晶金刚石层与硬质合金层直接结合的聚晶金刚石复合片界面结合强度提高了30%以上。

实施例3

如图3所示，聚晶金刚石复合片中的过渡层2为金刚石颗粒与结合剂组成，其中聚晶金刚石层1选择5～20um粒度的金刚石颗粒；过渡层2选择10～40um粒度的金刚石颗粒，再根据需要添加适量的结合剂。过渡层2的结合剂的粒度为5～10um，添加比例为0～20%。聚晶金刚石层1和过渡层2的厚度比为0.5～1。这样聚晶金刚石层1选择粒度较细的金刚石颗粒可达到提高耐磨性的目的，而过渡层2选择较粗的金刚石颗粒又保证了较高的抗冲击韧性，对聚晶层金刚石层提供较好的支撑。室内试验表明，与常规与现有同规格聚晶金刚石复合片相比，本方案制备的聚晶金刚石复合片性能检测表明聚晶金刚石复合片的耐磨性提高了20～30%，抗冲击性韧性提高了10～20%。

实施例4

如图4所述，将实施例1与实施例3结合起来，可达到同时增强界面的结合强度、聚晶金刚石复合片的抗冲击韧性和耐磨性的目的。聚晶金刚石层1选择粒度较小的金刚石颗粒，靠近聚晶金刚石层1的过渡层为第一过渡层23，其选择粒度较粗的金刚石颗粒或再添加适量的结合剂。靠近硬质合金层的过渡层为第二过渡层24，其是单层的金刚石颗粒、碳化钨颗粒、结合剂颗粒、碳氮化钛颗粒的混合物构成，如实施例1的过渡层2配方。与硬质合金层结合的界面可以是平面也可以是凹凸不平面。过渡层和聚晶金刚石层1的厚度比为0.5～1；第一过渡层23与第二过渡层24厚度比0.7～1.5。

实施例5

如图5所示，将实施例2与实施例3结合起来，可达到同时增强界面的结合强度、PDC的抗冲击韧性和耐磨性的目的。聚晶金刚石层1选择粒度较小的金刚石颗粒，靠近聚晶金刚石层1的过渡层为第一过渡层25，其选择粒度较粗的金刚石颗粒或再添加适量的结合剂。靠近硬质合金层的过渡层为第二过渡层26，其是多层金刚石颗粒、碳化钨颗粒、结合剂颗粒、碳氮化钛颗粒的混合物构成，如实施例2的过渡层配方。与硬质合金结合3的界面可以是平面也可以是凹凸不平面。过渡层和聚晶金刚石层1的厚度比为0.5～1；第一过渡层25与第二过渡层26厚度比0.7～1.5。

本发明提供的聚晶金刚石复合具有以下优点：

1、与传统的聚晶金刚石复合片相比，本发明不再局限于仅仅采用非平面连接技术（硬质合金基体与聚晶金刚石层之间采用台阶形、槽形或简单凸凹形等几何形式联结）来达到减少聚晶金刚石层与硬质合金层界面应力的目的。而是从产生界面应力的本质去寻求降低界面应力的方法。通过增加过渡层，在物理性能上与聚晶金刚石层和硬质合金层之间形成良好的过渡，避免聚晶金刚石层和硬质合金层直接复合而产生大的界面应力，降低产品在使用过程中聚晶金刚石层脱落的可能，从而提高产品的使用寿命。

2、一般情况下，调节聚晶金刚石复合片抗冲击韧性和耐磨性最有效的方法就是改变合成聚晶金刚石层的金刚石微粉的粒度。但通常降低金刚石粒度可以提高耐磨性去又会降低其抗冲击韧性。本发明制备的具有过渡层的聚晶金刚石复合片中，聚晶金刚石层可以选择较细粒度的金刚石颗粒，而过渡层选择较粗粒度的金刚石颗粒，这样聚晶层可以提高耐磨性，过渡层又有较好的抗冲击韧性，对聚晶金刚石层提高较好的支撑作用。从而达到同时提高聚晶金刚石复合片的耐磨性和抗冲击韧性。

3、通常聚晶金刚石复合片烧结是由结合剂渗透扫越聚晶金刚石层过程中，形成C的溶解-析出-再结晶过程达到金刚石颗粒间的直接结合。而一般结合剂（通常是Co）是由硬质合金层提供的，结合剂的含量会严重影响复合片的性能。本发明制作的复合片，过渡层可以根据聚晶金刚石复合片使用环境的需要，灵活的改变过渡层中的结合剂的含量（一般为Fe、Co或Ni金属粉），制备不同性能需求的聚晶金刚石复合片。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石复合片在聚晶金刚石层、硬质合金层和过渡层组成；所述过渡层是在聚晶金刚石层和硬质合金层之间。

2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述过渡层，按质量比，包括以下组份：

5～50um粒度的金刚石颗粒     60～70%

1～10um粒度的碳化钨颗粒     20～30%

5～10um粒度的结合剂         5～15%

所述结合剂为金属结合剂，由Fe、Co或Ni金属颗粒组成；

所述过渡层与聚晶金刚石层的厚度比为0.5～1。

3.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述过渡层，还包括1～5um粒度的碳氮化钛0～10%。

4.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述过渡层由第一过渡层和第二过渡层组成；靠近聚晶金刚石层的过渡层为第一过渡层，靠近硬质合金层的过渡层为第二过渡层；

所述第一过渡层和第二过渡层的组份为不同配比的金刚石颗粒、碳化钨颗粒和结合剂。

5.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述第一过渡层，按质量比，包括以下组份：

5～50um粒度的金刚石颗粒             70～80%

1～10um粒度的碳化钨颗粒             10～20% 

5～10um粒度的结合剂                      5～15%

所述第二过渡层，按质量比，包括以下组份：

5～50um粒度的金刚石颗粒            50～60%

1～10um粒度的碳化钨颗粒            30～40%

5～10um粒度的结合剂                  5～15%

所述结合剂为金属结合剂，由Fe、Co或Ni金属颗粒组成；

所述第一过渡层与第二过渡层的厚度比为0.7～1.5；

所述过渡层与聚晶金刚石层的厚度比为0.5～1。

6.根据权利要求5所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述第一过渡层和第二过渡层分别还包括1～5um粒度的碳氮化钛0～10%。

7.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述过渡层的成分为10～40um粒度金刚石颗粒；所述聚晶金刚石层选择粒度为5～20um的金刚石颗粒；

所述过渡层还可以添加粒度为5～10um的结合剂，添加比例为0～20%；

所述聚晶金刚石层和过渡层的厚度比为0.5～1。

8.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述过渡层包括第一过渡层和第二过渡层；靠近聚晶金刚石层的过渡层为第一过渡层，靠近硬质合金层的过渡层为第二过渡层；

所述第一过渡层的成分为金刚石颗粒，还可以添加粒度为5～10um的结合剂，结合剂的添加比例为0～20%；

所述第二过渡层是由单层的金刚石颗粒、碳化钨颗粒、结合剂颗粒、碳氮化钛颗粒的混合物构成；

所述第一过渡层与第二过渡层的厚度比0.7～1.5；

所述过渡层与聚晶金刚石层的厚度比为0.5～1。

9.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述过渡层包括第一过渡层和第二过渡层；靠近聚晶金刚石层的过渡层为第一过渡层，靠近硬质合金层的过渡层为第二过渡层；

所述第一过渡层的成分为金刚石颗粒，还可以添加粒度为5～10um的结合剂，结合剂的添加比例为0～20%；

所述第二过渡层是由多层的金刚石颗粒、碳化钨颗粒、结合剂颗粒、碳氮化钛颗粒的混合物构成；

所述第一过渡层与第二过渡层的厚度比0.7～1.5；

所述过渡层与聚晶金刚石层的厚度比为0.5～1。

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