[发明专利]一种生长型聚晶金刚石烧结组件及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及超硬材料技术领域，具体涉及一种用于以静高压法合成聚晶金刚石的烧结组件及其应用。 

背景技术

由于多晶金刚石层导热性好，硬度高，耐磨性好，使其在石油钻探、地质钻探及煤田开采应用中、在高性能电子封装功能材料领域得到广泛应用。 

聚晶金刚石的制备主要有两种方式，一种是气相沉积法，此方法的优点是制作的聚晶片厚度可精确控制，可制作大直径的样品，缺点是耗时长，厚度薄，产能低；另一种聚晶金刚石的制作方法是将金刚石粉末添加一定的结合剂后，在专用金刚石液压机上在超高压高温条件下烧结制得，此类聚晶受高压腔体限制，目前没有气相沉积法制作的样品直径大，但优点是烧结时间短，厚度大，产能高。 

目前，高压烧结类聚晶金刚石产品主要分为三类：一是美国GE公司生长型聚晶金刚石，在自锐性和抗冲击韧性方面有较大优势，磨耗比并不特别高；二是De Beer公司微粉聚晶金刚石，以Si为结合剂，在抗冲击韧性和磨耗比方面有优势；三是国内“类混凝土”式结构的聚晶金刚石，特有的结构使其各性能指标有较大的灵活性，多种多样的添加剂以及碳化物的不同组成方式使其具有各种不同的性能特征。 

从现场应用结合以上分析看出，磨耗比不再是主要指标，因为三种体系聚晶产品其磨耗比都可满足要求，自锐性和抗冲击韧性对钻头适应复杂 地层需要和提高钻井速度具有决定作用，这两个指标因此提升到主要位置。从这一角度来看，美国G.E.公司生长型聚晶金刚石具有更大优势。 

G.E.公司生长型聚晶金刚石是采用“扫越式催化再结晶法(Sweep Through Catalyzed Recrystallization，即STCR法)”工艺，利用金属对石墨的强催化作用达到晶体生长。扫越式再结晶法Co液需扫越整个聚晶体，从而使聚晶的厚度受到了限制，对于较复杂的产品就更加无能为力。 

另外，采用静高压法合成生长型聚晶金刚石，温度梯度决定着聚晶金刚石的质量稳定性。合成块的组装方式决定着腔体内的温度分布，因此，组装不同，温度梯度会有所不同。此外，在进入高温高压合成阶段后，由于组装方式无法改变，因此合成过程中已经无法依靠改变组装方式来调整合成腔体内的温度梯度，可以说，就目前的技术而言，在合成过程中还不能做到对温度梯度的随意调控，烧结聚晶金刚石的过程中，如果腔体中金刚石聚晶层处于较大的温度梯度下会带来如烧结组织结构不均匀，出现“架桥”，黑心现象，并且聚晶金刚石复合片制品稳定重复性差，局部残余应力较大，严重的影响聚晶金刚石工具的性能。 

目前国内主要采用的是直热式组装，如图1，在石墨棒中钻孔，将金刚石粉和金属粘接剂填充到石墨孔中，经高温高压烧结成聚晶金刚石。此种方式在烧结过程中，聚晶金刚石中的金属粘接剂与作为加热源的石墨棒反应，从而影响了石墨棒的电阻，改变了初始的腔体内的稳定温度场。 

而采用旁热式组装，如图2，在加热管内放置一个绝缘的腔，腔内放置金刚石粉层和金属粘接剂层，这样就将金属粘接剂与加热管隔绝，保证了腔体内的温度场稳定。 

但国内有科研机构研究过这种组装，得到的结论是金刚石粉只能做到局部烧结，远离金属层的金刚石层无法实现烧结。 

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种聚晶金刚石烧结组件，其特征在于，所述聚晶金刚石烧结组件包括：加热管、绝缘管、熔渗腔、金属粘结剂、金刚石粉。 

在一种实现方式中，所述加热管位于所述烧结组件的最外层， 

所述绝缘管位于所述加热管内部，紧贴所述加热管，所述绝缘管内部形成第一中空腔体， 

所述熔渗腔位于所述第一中空腔体内部，并且所述熔渗腔的内部形成第二中空腔体，所述金属粘结剂和所述金刚石粉填充在所述第二中空腔体中。 

在一种实现方式中，所述加热管呈圆柱状，该圆柱状加热管的上下两端通过导电发热片封闭。 

在一种实现方式中，所述金属粘结剂和所述金刚石粉分别形成金属粘结剂层和金刚石层，所述金刚石层与所述金属粘结剂层彼此平行地置于所述第二中空腔体内部，所述金刚石层位于所述金属粘结剂层的下方。 

在一种实现方式中，所述熔渗腔由多孔材料制成，所述熔渗腔包括圆柱状的管壁以及上部端盖和下部端盖。 

在一种实现方式中，所述加热管的高度为1.2～10cm。所述加热管的外径和高度取决于高压设备所提供的高压空间，空间大则加热管可以相应的增大。 

在一种优选实现方式中，所述熔渗腔的侧壁具有双层结构，熔渗腔的内层的致密性小于外层的致密性。这种结构能够实现更好地对杂质的吸附。