[发明专利]聚晶金刚石硬质合金复合片基体、复合片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚晶金刚石硬质合金复合片技术领域，更具体地说，涉及一种聚晶金刚石硬质合金复合片基体、复合片及其制备方法。

背景技术

聚晶金刚石硬质合金复合片由聚晶金刚石层和作为支撑体的硬质合金基座通过高温高压过程制作而成。其中，聚晶金刚石层具有硬度高、耐磨性好的特点，而硬质合金则从整体上提高了复合片的韧性和可焊性。这种复合片被大量用于制作石油、天然气、地质钻头的切削齿，在钻探以及凿岩过程中将受到交变载荷的反复作用，并且由于冲击、摩擦的作用使复合片材料的温度急剧变化，其局部温度甚至可达1000℃以上，对复合片的性能以及使用寿命产生巨大影响。

一般地，评价复合片性能优劣的行业标准往往集中在耐磨性、耐热性和耐冲击性这三项宏观指标上，现有的研究开发工作大多集中在复合片的金刚石聚晶层上，而对硬质合金座的性能评价和改进则相对较少。作为复合片的重要的构成部分，硬质合金基座的结构与性能特征实际上对整个复合片的使用性能影响巨大。例如，当硬质合金基座的硬度和耐磨性较小时，钻探时硬质合金基座很可能优先被磨损掉，而加速整个复合片的破坏；而当其硬度偏高时，在耐磨性增加的同时其脆性也相应增大，容易导致冲击破裂，一旦在表面形成微裂纹，很容易在持续的热震冲击和高频的外力冲击作用下，加速扩展和深入延展到硬质合金内部，从而导致裂纹扩大和最终使复合片开裂。当硬质合金基座的抗冲击强度和韧性偏低时，复合片可能经受不住钻凿时强烈而持续的高频冲击，而使复合片的微裂纹等缺陷扩展、加深而导致复合片的报废；当其抗冲击强度和韧性提高时，其硬度和强度又会受到限制，并不耐磨损。因此，用于聚晶金刚石硬质合金复合片的硬质合金基座材料的结构和性能特点与其硬度、强度、耐磨性和韧性紧密相关。

硬质合金基座绝大多数为均质结构，很难实现硬度、强度、耐磨性和韧性紧密之间的统一。因此，梯度结构材料的出现，为上述问题的解决提供了极巧妙的设计思路（刘咏，羊建高.梯度硬质合金材料设计.长沙：中南大学出版社，2010年.）。譬如，现有技术采用表面渗碳、渗氮的方法来提高硬质合金基座表面浅层的硬度，提高其表面的耐磨性能，而芯部仍然具有较好的抗冲击韧性，从而在同一个材料上实现耐磨性和抗冲击性、硬度和强度的有机结合和协调。

目前具有这样梯度结构硬质合金材料的制作方法很多，但是从已有的专利和文献报道看来，大都只是简单地集中在硬质合金材料的梯度化设计和改性上。而实际上，选择用这种表面浅层梯度化的硬质合金做基座与金刚石微粉通过超高温高压的合成之后，由于催化剂和粘结剂金属相极快速的扩散迁移，形成的梯度结构很可能被严重破坏而又回复到均质或近均质的硬质合金结构，从而失去了硬度和韧性、耐磨性和抗冲击强度的有机结合，影响对复合片的综合使用性能的改善。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种同时具有良好的硬度、韧性、耐磨性和抗冲击强度的聚晶金刚石硬质合金复合片基体、复合片及其制备方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种聚晶金刚石硬质合金复合片基体，包括：

硬质合金圆柱体；包覆于所述硬质合金圆柱体底面和侧面的硬质合金包覆层，所述硬质合金圆柱体的硬度小于硬质合金包覆层的硬度。

优选的，所述硬质合金圆柱体沿径向形成由内到外逐渐变大的硬度梯度。

优选的，所述硬质合金圆柱体包括第一硬质合金圆柱体和包覆于所述第一硬质合金圆柱体侧面的第一硬质合金层，所述第一硬质合金圆柱体的硬度为86.1HRV，所述第一硬质合金层的硬度为87.3HRV。

优选的，所述硬质合金包覆层包括：

包覆于所述硬质合金圆柱体底面和侧面的第一硬质合金包覆层；

包覆于所述第一硬质合金包覆层外侧的第二硬质合金包覆层，

所述第一硬质合金包覆层的硬度为88.5HRV，所述第二硬质合金包覆层的硬度为89.2HRV。

优选的，所述硬质合金圆柱体的横截面直径与聚晶金刚石硬质合金复合片基体的横截面直径的比例为（0.75~0.9）：1。

优选的，所述硬质合金圆柱体与聚晶金刚石硬质合金复合片基体的高度比为（0.5~0.9）：1。

优选的，所述硬质合金圆柱体的高度为4~8mm。

相应的，本发明还提供一种聚晶金刚石硬质合金复合片，由上述技术方案所述的聚晶金刚石硬质合金复合片基体和聚晶金刚石层构成。

本发明还提供一种聚晶金刚石硬质合金复合片的制备方法，包括以下步骤：