[发明专利]一种超厚多晶金刚石复合材料、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种超厚多晶金刚石复合材料，包括多晶金刚石层和硬质合金基体，硬质合金基体为含钴基体，多晶金刚石复合材料的直径≥30mm，多晶金刚石层的厚度≥3mm。上述复合材料的制备方法：硬质合金基体与至少一层多晶金刚石微粉层堆叠，其中，硬质合金基体与一层多晶金刚石微粉层堆叠时，在多晶金刚石微粉层的一面与硬质合金基体接触、另一面与钴源层接触；硬质合金基体与至少两层多晶金刚石微粉层堆叠时，多晶金刚石微粉层之间铺设钴源层；然后采用高温高压烧结的方法制备获得超厚多晶金刚石复合层。采用本发明提供的技术，可获得耐磨性、抗冲击等性能符合要求的超厚多晶金刚石复合材料，该材料可直接用于切割制备机械加工刀具。

技术领域

本发明涉及机械加工材料技术领域，具体涉及一种超厚多晶金刚石复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

多晶金刚石复合材料（又称金刚石复合片，英文名：Polycrystalline Diamond，常简称 PCD）广泛应用于制作超硬刀具。相比于传统硬质合金、工具钢、陶瓷等材料制作的刀具，多晶金刚石复合材料制作的刀具具有高速高效、节能环保、高加工精度、高加工表面光洁度、高耐磨、高寿命、高导热率等优点。多晶金刚石复合材料是将多晶金刚石层与硬质合金（WC-Co 合金）基体在高温（1500℃左右）高压（6GPa左右）下烧结复合而成的。用于制作超硬刀具的金刚石复合片成品，其多晶金刚石层厚一般不超过 1mm，通常为0.3mm-0.8mm。

随着 PCD刀具在加工领域的应用扩展，以及制造业（如汽车、航空航天、电子、能源等行业）中难加工材料的普遍使用，尤其是针对玻璃、陶瓷、碳纤维复合材料、高温合金、高粘性金属等材料的高速高效高精度加工需求，待加工工件的工作面厚度较大，一般的薄多晶金刚石层的PCD（多晶金刚石工作层通常为0.5mm左右，一般大于0.2mm，小于3mm）难以满足加工需求，加工时需要反复加工，加工效率低，反复加工过程中又存在前后加工轨迹不重合，加工精度不达标，需要后续精加工，且反复加工过程中磨损问题严重，需要频繁更换刀具，影响加工效率，不利于流水线自动批量作业。若为满足加工需求，可通过焊接等方式拼接刀具的工作层，这样就存在结构复杂、刀具制作成本高的不足，且脆性高、抗冲击性不足、拼（焊）接处易开裂脱层、使用寿命低等问题。

但传统方法制作的大直径（直径≥30mm）金刚石复合片，其多晶金刚石层厚通常小于 1mm，很难超过2mm。主要原因如下：

1）多晶金刚石复合材料是将多晶金刚石微粉层与硬质合金（WC-Co合金）基体在高温（1500℃左右）高压（6GPa左右）下烧结复合而成的，在烧结过程中，硬质合金基体中的钴通过熔化渗透多晶金刚石微粉层，称之为“高压高温熔渗烧结法”，但当多晶金刚石微粉层大于 2mm 时，硬质合金基体中的钴难以完全渗透多晶金刚石微粉层；

2）多晶金刚石层厚大于2mm的 PCD，容易在多晶金刚石层与硬质合金基体界面处产生应力集中，并容易发生脱层，主要是因为多晶金刚石层与硬质合金基体的力学性质（如弹性模量等）与热学性质（如热膨胀系数）差别大，在制备、加工与使用过程中，由于力、热的作用，两种材料的体积变化不匹配，容易在界面处产生应力积聚；

3）多晶金刚石层厚大于2mm的PCD，由于在高温高压烧结过程中，基体中的钴在多晶金刚石层中的熔渗距离长，将导致金刚石晶粒异常长大等的现象发生，使得多晶金刚石层的一致性、均匀性不能满足后继加工和使用要求。

综上所述，超厚多晶金刚石复合材料难以通过传统的“高压高温熔渗烧结法”制备，即使勉强得到，也不能在性能上满足使用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：一般的薄多晶金刚石层的PCD（1mm左右）难以满足加工需求，本发明提供了解决上述问题的一种超厚多晶金刚石复合材料。

本发明通过下述技术方案实现：