[发明专利]含纳米结构的聚晶金刚石、聚晶金刚石复合片及制备方法

说明书

本发明是关于一种用于切削工具、磨具、钻具及耐磨件上的含纳米结构的聚晶金刚石、聚晶金刚石复合片及其制备方法。聚晶金刚石或聚晶金刚石复合片中的聚晶金刚石层是由连续的、具有键结合的金刚石组元和位于其间隙的触媒材料构成，其中金刚石组元包含有纳米结构的多晶(聚晶)金刚石颗粒，这些多晶金刚石颗粒是来源于爆炸法制备的、微米尺度的、卡布纳多(Carbonado)型纳米结构多晶金刚石颗粒原材料。位于间隙处的触媒材料可部分或全部脱除掉，以提高聚晶金刚石或聚晶金刚石复合片的热稳定性。它们的制备方法包括，在高温高压、触媒材料辅助条件下，烧结金刚石颗粒，金刚石颗粒中包含有卡布纳多型纳米结构多晶金刚石颗粒。

技术领域

本发明是关于一种用于切削工具、磨具、钻具及耐磨件上的含纳米结构的聚晶金刚石、聚晶金刚石复合片及其制备方法，它们应用于道路桥梁建设、机械加工、石材加工、采矿、石油钻探及开采等领域。

背景技术

聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,简称PCD)业已为人们所熟知，它是一种含有大量具有金刚石与金刚石键结合(即Diamond-to-Diamond,简称D-D键结合)的金刚石颗粒组成的金刚石烧结体。聚晶金刚石的制备通常是在高温高压下、在触媒材料的辅助下、将细小的金刚石颗粒烧结粘合在一起，触媒材料促进金刚石颗粒间形成D-D键结合，触媒材料为钴、镍、铁、它们的合金、或者非金属材料，细小的金刚石颗粒通常为微米尺度的单晶金刚石。烧结合成的聚晶金刚石包含有D-D键结合的金刚石颗粒及位于它们间隙的粘结剂即触媒材料，粉末状的触媒材料可与金刚石颗粒预先混合均匀；然后，在高温高压下烧结，形成聚晶金刚石。

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC)也业已为人们所熟知。例如，广泛应用于石油、天然气钻探和开采领域的聚晶金刚石复合片。它是由聚晶金刚石(PCD)层和硬质合金(烧结碳化物)基体构成，其中，聚晶金刚石层作为切削刀刃，而硬质合金作为支撑基体。聚晶金刚石复合片的制备通常是在高温高压下、在触媒材料的辅助下、在硬质合金支撑基体上、将细小的金刚石颗粒烧结粘合在一起。在高温高压烧结过程中，来自硬质合金支撑基体中的粘结剂材料扩散渗入至聚晶金刚石层中，作为触媒材料。通常硬质合金支撑基体是以钴作为粘结剂的烧结碳化钨，在高温高压烧结过程中，硬质合金支撑基体中的粘结剂钴扩散渗入至聚晶金刚石层中金刚石颗粒间隙，钴作为触媒材料促进金刚石颗粒间产生D-D键结合、形成聚晶金刚石层。

需要指出，无支撑基体的聚晶金刚石和有支撑基体的聚晶金刚石复合片都是在高温高压下、在触媒材料的辅助下制备的。触媒材料可以是以粉末形式与金刚石颗粒预混在一起，也可以是来自烧结时扩散渗入的，或者是其它方法加入的。

人们认识到聚晶金刚石和聚晶金刚石复合片中的金属触媒材料(如：钴)对其热稳定性是非常有害的。金属触媒材料不仅促进金刚石的石墨化，而且，由于其热膨胀系数与金刚石有显著差异，导致形成高的热应力。为改进聚晶金刚石和聚晶金刚石复合片的热稳定性，各种热稳定聚晶金刚石(Thermally Stable Polycrystalline Diamond,简称TSPCD)和热稳定聚晶金刚石复合片(Thermally Stable Polycrystalline Diamond Cutter,简称TSPDC)相继问世，它们或者是用非金属触媒材料、或者是将合成的聚晶金刚石中金属触媒材料部分或全部脱除掉。