[发明专利]一种聚晶金刚石复合片及其制备方法

说明书

一种聚晶金刚石复合片及其制备方法，该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，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。其制备方法为：（1）制备复合片基体；（2）前处理；（3）CVD镀膜；（4）对纳米金刚石层表面抛光处理即得。在复合片的外层涂覆多层纳米金刚石层，提高了聚晶金刚石复合片的耐磨性，抗冲击性，韧性，延长了复合片的使用寿命；采用本发明的方法制备了一种具有良好的耐磨性、耐高温性和抗冲击性能聚晶金刚石复合片。

技术领域

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

聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，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。

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℃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。

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。

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℃，当温度高于400℃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。

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

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。

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。

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。

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0.3～0.5μm。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。

多层纳米金刚石层的总厚度为6~20μm。

一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；