本發明涉及超硬材料領域，尤其涉及一種聚晶金剛石復合片及其制備方法。

背景技術：

聚晶金剛石復合片（PDC-Polycrystalline Diamond Compact）是采用金剛石微粉與硬質合金基體為原料，在超高溫高壓（HTHP)條件下燒結而成的復合超硬材料。它既有金剛石的硬度與耐磨性，又具有硬質合金的強度與抗沖擊韌性，是一種卓越的切削工具與耐磨工具材料。

現有金剛石復合片多為一層均勻的聚晶金剛石層與硬質合金層結合而成，聚晶金剛石層的耐磨性能與抗沖擊性能很大程度上受聚晶金剛石的粒度所影響，增大金剛石顆粒的粒度可以提高聚晶金剛石復合片的抗沖擊性能，但是其耐磨性能相應的下降。故對于具有單層聚晶金剛石層的復合片而言，抗沖擊性能與耐磨性能是一對矛盾體，很難得到兼顧。

因此，現有技術還有待于改進和發展。

技術實現要素：

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種聚晶金剛石復合片及其制備方法，從而解決現有的聚晶金剛石復合片抗沖擊性能與耐磨性能不能兼顧的問題。

本發明的技術方案如下：

一種聚晶金剛石復合片，包括：硬質合金層，設置在所述硬質合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設置在所述聚晶金剛石抗沖擊層上的聚晶金剛石耐磨層；所述聚晶金剛石抗沖擊層與所述聚晶金剛石耐磨層之間設置有多個支撐結構。

所述的聚晶金剛石復合片，其中，所述支撐結構為設置在所述聚晶金剛石抗沖擊層上表面的柱狀凸起；所述聚晶金剛石耐磨層下端上設置有與所述柱狀凸起結合的凹陷。

所述的聚晶金剛石復合片，其中，所述聚晶金剛石抗沖擊層，按質量比，包括以下組分：

5～25μm粒度的金剛石顆粒 70%～95%

5～10μm粒度的結合劑 5%～30%

所述結合劑為金屬結合劑，由Co、Ni或Fe金屬顆粒組成。

所述的聚晶金剛石復合片，其中，所述聚晶金剛石耐磨層，按質量比，包括以下組分：

15～45μm粒度的金剛石顆粒 70%～95%

5～10μm粒度的所述結合劑 5%～30%。

所述的聚晶金剛石復合片，其中，所述聚晶金剛石耐磨層的厚度為0.2～2.5mm。

所述的聚晶金剛石復合片，其中，所述聚晶金剛石耐磨層與所述聚晶金剛石抗沖擊層的厚度之比為0.2～2。

所述的聚晶金剛石復合片，其中，所述柱狀凸起高度為0.2～2mm。

所述的聚晶金剛石復合片，其中，所述柱狀凸起的上端為球形，所述柱狀凸起的球形上端的半徑為0.4～2mm。

所述的聚晶金剛石復合片，其中，所述柱狀凸起的球形上端的弧度為30～90°。

一種聚晶金剛石復合片的制備方法，包括步驟：

A、按比例將5～25μm粒度的金剛石顆粒和5～10μm粒度的結合劑混合均勻后加入模具中，再加入成型劑，通過模具預壓制得第一粉層；

B、將步驟A制得的第一分層放在硬質合金基座上，然后按比例將15～45μm粒度的金剛石顆粒和5～10μm粒度的結合劑混合均勻后，通過層鋪法裝填在步驟A制得的第一分層之上，形成第二粉層；

C、將硬質合金基座、第一分層和第二粉層一起在1450～1600℃的溫度和5.5～8.0GPa的壓強條件下燒結5～30min，制備得到所述聚晶金剛石復合片。

有益效果：本發明提供了一種聚晶金剛石復合片及其制備方法，所述聚晶金剛石復合片，包括：硬質合金層，設置在所述硬質合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設置在所述聚晶金剛石抗沖擊層上的聚晶金剛石耐磨層；所述聚晶金剛石抗沖擊層與所述聚晶金剛石耐磨層之間設置有多個支撐結構。本發明聚晶金剛石復合片，由于具有兩層不同粒度的聚晶金剛石層，上層的聚晶金剛石耐磨層可以保證耐磨性，下層的聚晶金剛石抗沖擊層以特殊的支撐結構對上層提供支撐，以最大程度提高抗沖擊性能，從而達到兼顧耐磨性和抗沖擊性的效果。

附圖說明

圖1是本發明聚晶金剛石復合片較佳實施例的剖面結構示意圖。

具體實施方式

本發明提供一種聚晶金剛石復合片及其制備方法，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明提供了一種具有特殊復合金剛石層結構的聚晶金剛石復合片。如圖1所示，所述聚晶金剛石復合片，包括：硬質合金層1，設置在硬質合金層1上的聚晶金剛石抗沖擊層2，及設置在聚晶金剛石抗沖擊層2上的聚晶金剛石耐磨層3。

本發明的聚晶金剛石抗沖擊層2為包含一定質量分數金剛石的過渡層，且聚晶金剛石復合片的聚晶金剛石抗沖擊層2和聚晶金剛石耐磨層3之間的結合界面為非平面界面，在界面處可以形成一定數量的高低分布的一定形狀的支撐結構。簡單的說，也就是聚晶金剛石抗沖擊層2與聚晶金剛石耐磨層3之間設置有多個支撐結構。

進一步的，所述聚晶金剛石抗沖擊層，按質量比，包括以下組分：

5～25μm粒度的金剛石顆粒 70%～95%

5～10μm粒度的結合劑 5%～30%；

而所述聚晶金剛石耐磨層，按質量比，包括以下組分：

15～45μm粒度的金剛石顆粒 70%～95%

5～10μm粒度的所述結合劑 5%～30%；

其中，所述結合劑為金屬結合劑，由Co、Ni或Fe金屬顆粒組成。

從組成成分上來看，本發明所述聚晶金剛石抗沖擊層2也就是下層粗粒度聚晶金剛石層，而所述聚晶金剛石耐磨層3也即是上層細粒度聚晶金剛石層。

優選的，如圖1所示，所述支撐結構為設置在聚晶金剛石抗沖擊層2上表面的柱狀凸起21；所述聚晶金剛石耐磨層3下端上設置有與所述柱狀凸起結合的凹陷（未標出）。

本發明較佳實施例中，所述柱狀凸起21嵌入到上層細粒度聚晶金剛石層內，增大兩層聚晶金剛石的結合面積，當上層細粒度聚晶金剛石層受到外力的正面或側面沖擊時，柱狀凸起21可以起到分散沖擊力及支撐的作用，提升聚晶金剛石復合片整體的抗沖擊性能，同時一定數量的柱狀凸起可以將上層細粒度聚晶金剛石層分隔為若干個細小區域，當上層聚晶金剛石層受到外力沖擊發生破損時，可以有效的切斷破損的區域，減小沖擊帶來的破損面積。

在本發明實施例中，上層細粒度聚晶金剛石層與下層粗粒度聚晶金剛石層之間的結合界面為非平面，下層粗粒度聚晶金剛石層形成一定數量的凸起型光滑的柱狀凸起，柱狀凸起成分與下層粗粒度聚晶金剛石相同，通過模壓法或預成型法在上下兩層金剛石層界面處成型，再通過高溫高壓燒結后形成，以一定數量、大小、間距和規律排布。

具體的，所述聚晶金剛石耐磨層3的厚度為0.2～2.5mm；而聚晶金剛石抗沖擊層2的厚度也為0.2～2.5mm，當兩者組合在一起時，優選聚晶金剛石耐磨層3與聚晶金剛石抗沖擊層3的厚度之比為0.2～2。

進一步的，所述柱狀凸起高度為0.2～2mm。所述柱狀凸起的數量為2～30個。

進一步的，所述柱狀凸起的上端優選為球形，所述柱狀凸起的球形上端的半徑（球半徑）為0.4～2mm，所述柱狀凸起的球形上端的弧度為30～90°。

進一步的，所述柱狀凸起中心點位于不同半徑的圓周上，同一圓周上柱狀凸起數量為3～15個，形狀一致且均勻分布；不同圓周上的柱狀凸起大小可以一致或不一致，不同圓周上柱狀凸起位置可以為沿徑向對齊或錯開分布。

本發明實施例還提供了一種聚晶金剛石復合片的制備方法，包括步驟：

S1、按比例將5～25μm粒度的金剛石顆粒和5～10μm粒度的結合劑混合均勻后加入模具中，再加入成型劑，通過模具預壓制得第一粉層；

其中，5～25μm粒度的金剛石顆粒和5～10μm粒度的結合劑的比例參照上述組分的質量比范圍。加入成型劑有助于固化成型，所述成型劑為現有的樹脂類、膠類以及可以起到固化效果的其他成型劑。

S2、將步驟S1制得的第一分層放在硬質合金基座上，然后按比例將15～45μm粒度的金剛石顆粒和5～10μm粒度的結合劑混合均勻后，通過層鋪法裝填在步驟S1制得的第一分層之上，形成第二粉層；

也即是，將下層金剛石粉通過層鋪法裝填在S1中的粉層之上，使上層和下層金剛石粉形成特定的界面結構。其中，15～45μm粒度的金剛石顆粒和5～10μm粒度的結合劑的比例參照上述組分的質量比范圍。

S3、將硬質合金基座、第一分層和第二粉層一起在1450～1600℃的溫度和5.5～8.0GPa的壓強條件下燒結5～30min，制備得到所述聚晶金剛石復合片。

本發明的創造性的將兩層不同粒度聚晶金剛石層以特殊的復合界面結合到一起，通過該種結合方式上層細顆粒聚晶金剛石層可以保證耐磨性，下層粗顆粒金剛石層以特殊的結構對上層提高支撐以最大程度提高抗沖擊性能，達到兼顧耐磨性和抗沖擊性的效果。

實施例1：

一種聚晶金剛石復合片，包括：硬質合金層，設置在硬質合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設置在聚晶金剛石抗沖擊層上的聚晶金剛石耐磨層，所述聚晶金剛石抗沖擊層與所述聚晶金剛石耐磨層之間設置有多個支撐結構，所述支撐結構為設置在所述聚晶金剛石抗沖擊層上表面的柱狀凸起。其中，所述聚晶金剛石抗沖擊層，按質量比，包括70%的5～25μm粒度的金剛石顆粒和30%的5～10μm粒度的結合劑；所述聚晶金剛石耐磨層，按質量比，包括70%的15～45μm粒度的金剛石顆粒和30%的5～10μm粒度的結合劑，所述結合劑為Co金屬顆粒；所述聚晶金剛石耐磨層的厚度為0.2mm，所述聚晶金剛石耐磨層與所述聚晶金剛石抗沖擊層的厚度之比為0.2；所述柱狀凸起高度為0.2mm，所述柱狀凸起的球形上端的半徑為0.4mm；所述柱狀凸起的球形上端的弧度為30°。

實施例2：

一種聚晶金剛石復合片，包括：硬質合金層，設置在硬質合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設置在聚晶金剛石抗沖擊層上的聚晶金剛石耐磨層，所述聚晶金剛石抗沖擊層與所述聚晶金剛石耐磨層之間設置有多個支撐結構，所述支撐結構為設置在所述聚晶金剛石抗沖擊層上表面的柱狀凸起。其中，所述聚晶金剛石抗沖擊層，按質量比，包括85%的5～25μm粒度的金剛石顆粒和15%的5～10μm粒度的結合劑；所述聚晶金剛石耐磨層，按質量比，包括80%的15～45μm粒度的金剛石顆粒和20%的5～10μm粒度的結合劑，所述結合劑為Ni金屬顆粒；所述聚晶金剛石耐磨層的厚度為1.5mm，所述聚晶金剛石耐磨層與所述聚晶金剛石抗沖擊層的厚度之比為1；所述柱狀凸起高度為1mm，所述柱狀凸起的球形上端的半徑為1mm；所述柱狀凸起的球形上端的弧度為60°。

實施例3：

一種聚晶金剛石復合片，包括：硬質合金層，設置在硬質合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設置在聚晶金剛石抗沖擊層上的聚晶金剛石耐磨層，所述聚晶金剛石抗沖擊層與所述聚晶金剛石耐磨層之間設置有多個支撐結構，所述支撐結構為設置在所述聚晶金剛石抗沖擊層上表面的柱狀凸起。其中，所述聚晶金剛石抗沖擊層，按質量比，包括95%的5～25μm粒度的金剛石顆粒和5%的5～10μm粒度的結合劑；所述聚晶金剛石耐磨層，按質量比，包括95%的15～45μm粒度的金剛石顆粒和5%的5～10μm粒度的結合劑，所述結合劑為Fe金屬顆粒；所述聚晶金剛石耐磨層的厚度為2.5mm，所述聚晶金剛石耐磨層與所述聚晶金剛石抗沖擊層的厚度之比為2；所述柱狀凸起高度為2mm，所述柱狀凸起的球形上端的半徑為2mm；所述柱狀凸起的球形上端的弧度為90°。

本發明聚晶金剛石復合片分為兩層，上層耐磨層及下層抗沖擊層，兩種金剛石顆粒通過粉末模壓以及層鋪后以特殊界面結合在一起，經過高溫高壓燒結后下層聚晶金剛石層形成特殊的凸起柱狀凸起嵌入上層聚晶金剛石內。在磨削巖石時，上層耐磨層可以保證其耐磨性，而下層抗沖擊層通過特殊結構對上層金剛石層進行支撐和保護，在使用中可以兼具優異的耐磨性及抗沖擊性能，延長鉆頭使用壽命。

綜上所述，本發明提供了一種聚晶金剛石復合片及其制備方法，所述聚晶金剛石復合片，包括：硬質合金層，設置在所述硬質合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設置在所述聚晶金剛石抗沖擊層上的聚晶金剛石耐磨層；所述聚晶金剛石抗沖擊層與所述聚晶金剛石耐磨層之間設置有多個支撐結構。本發明聚晶金剛石復合片，由于具有兩層不同粒度的聚晶金剛石層，上層的聚晶金剛石耐磨層可以保證耐磨性，下層的聚晶金剛石抗沖擊層以特殊的支撐結構對上層提供支撐，以最大程度提高抗沖擊性能，從而達到兼顧耐磨性和抗沖擊性的效果。

應當理解的是，本發明的應用不限于上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。