一種滲硼聚晶金剛石復合片及其制備方法
【專利摘要】一種滲硼聚晶金剛石復合片，包括硬質合金基體和聚晶金剛石，硬質合金基體表面和聚晶金剛石之間形成有一層Co的固溶體層。其制備方法，包括以下步驟：1）將滲硼劑和硬質合金基體一同置于壓力為10?3～10?2Pa的真空室內，加入催化劑，于850～1100℃下處理為2～10h；2）取金剛石微粉、金屬結合劑與硬質合金基體裝配成組裝塊，組裝塊真空熱處理后，裝入葉臘石腔體內，在六面頂壓機中高溫高壓合成即得。采用本發明得到的硬質合金表面無任何附著物，不需要繁瑣的表面清洗等步驟；尤其硬質合金基體表面沒有Co被腐蝕，不會對硬質合金基體的強度產生影響；可增強硬質合金基體和聚晶金剛石之間的結合強度。
【專利說明】
一種滲硼聚晶金剛石復合片及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于超硬復合材料的制備技術領域，具體涉及一種滲硼聚晶金剛石復合片及其制備方法。
【背景技術】
[0002]聚晶金剛石復合片(Polycrystalline diamond compact,F1DC)是將金剛石粉末添加一定的催化劑與硬質合金基體組裝后，在專用金剛石液壓機上在超高溫高壓條件下燒結而成。它由聚晶金剛石層和硬質合金基體構成，由于聚晶金剛石層硬度高、耐磨性好，加上硬質合金基體良好的韌性和可焊性，使其在石油鉆探、地質鉆探及煤田開采應用中得到廣泛應用。
[coos]盡管roc與天然金剛石以及各種硬質合金、工具鋼等相比具有更加優良的性能，但隨著現代石油工業和機械制造加工業的迅猛發展，對PDC的性能和質量也不斷地提出更高的要求。這是因為，在實際應用中，PDC鉆頭或刀具在工作時，由于高速旋轉和切削而受到巨大的剪應力作用，PDC的聚晶金剛石層、硬質合金基體以及兩者的界面結合處失效的情況時有發生。在roc失效的情況中，聚晶金剛石層的脫落占了很大比重。據美國石油部門統計分析，在深井鉆孔作業中，33%的鉆頭失效是由聚晶金剛石層脫落造成的。另外，基體的強度、硬度及抗沖擊性的局限也容易造成鉆頭損壞，或者造成聚晶金剛石層的利用率不高而降低鉆頭的使用時效。
[0004]聚晶金剛石層的脫落主要是由于聚晶金剛石層與硬質合金基體的界面結合力不足導致。目前，主要有兩種方法來應對這些問題。一種是通過改變硬質合金基體的表面結構，如在硬質合金表面開設若干槽，或者將其表面加工各種突起，來增加基體與及金剛石層的表面積，從而增大硬質合金基體與聚晶金剛石層的結合力，這種方法實施簡單，但并未從根本改變硬質合金與金剛石層結合力弱的問題，只能簡單地從宏觀上增加把持力來提高結合力；另一種是微觀表面改性法，通過分析發現，非金剛石物質的形成與Co有很大關系，在金剛石生長過程中基體中Co的擴散導致金剛石層與基體界面處形成許多含飽和C的球形Co粒子即鈷碳固溶體以及石墨、非晶碳等，非金剛石物質的形成會大大削弱界面的結合強度。
[0005]因此，如何控制硬質合金中Co的催墨化效應，是從根本上改變硬質合金層與聚晶金剛石層結合力弱問題的關鍵。典型的硬質合金基體表面處理方法有機械處理、MC試劑浸蝕法、高能粒子束法等，這些方法都可以脫去硬質合金中的Co元素，改善硬質合金與聚晶金剛石層的結合力。但是Co作為硬質合金的結合劑，Co的脫出會在基體上留下腐蝕的孔洞，降低基體的硬度，這必將減弱PDC的力學強度；同時，較薄的脫Co層無法有效阻止基體內部的鈷原子在高溫下向表面的繼續擴散。如何提高PDC中聚晶金剛石層和硬質合金基體之間的結合強度是本行業一個亟待解決的技術難題。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于提供一種滲硼聚晶金剛石復合片，同時提供其制備方法是本發明的另一發明目的。
[0007]基于上述目的，本發明采取如下技術方案:一種滲硼聚晶金剛石復合片，包括硬質合金基體和聚晶金剛石，所述硬質合金基體表面和聚晶金剛石之間經過真空表面滲硼處理形成一層Co的固溶體層。
[0008]所述真空表面滲硼處理的具體操作為:將硬質合金基體置于壓力為10—3?10—2Pa的真空室內，以碳化硼粉為滲硼劑，加入催化劑，于850?1100°C處理2?1h即可在硬質合金基體表面形成一層Co的固溶體層;所述滲硼劑為碳化硼粉;所述催化劑選自氟硼酸鉀、氟硼酸鈉和稀土氧化物中的一種或兩種以上的混合。
[0009]所述Co的固溶體層的物相組成為CoW2B2XoB和CoWB。
[0010]所述CoW2B2層的厚度為10?20μπι。
[0011]所述的滲硼聚晶金剛石復合片的制備方法，包括以下步驟:
I)將滲硼劑和硬質合金基體一同置于壓力為10—3?10—2Pa的真空室內，加入催化劑，于溫度為850?1100°C下處理2?10h，得到表面形成Co的固溶體層的硬質合金基體;所述滲硼劑為碳化硼粉;所述催化劑選自氟硼酸鉀、氟硼酸鈉和稀土氧化物中的一種或兩種以上的混合;該Co的固溶體的物相組成具體為Co2W2B、CoWB和CoB。
[0012]2)取金剛石微粉、金屬結合劑與硬質合金基體裝配成組裝塊，組裝塊于壓力為10一3?10—2Pa、溫度為850?1100°C下處理2?1h后，裝入葉臘石腔體內，在六面頂壓機中高溫高壓合成即得。
[0013]步驟I)中，所述催化劑的加入量為滲硼劑重量的2?8%。
[0014]步驟I)中，所述稀土為氧化鋪或氧化?乙。
[0015]步驟2)中，金剛石微粉和金屬結合劑的重量百分比為:金剛石微粉70%?95%、金屬結合劑5%?30%。
[0016]所述金剛石微粉為單一粒度或多粒度的混合物，金剛石微粉的粒度為0.8?45μπι。
[0017]所述金屬結合劑為Fe、Co、N1、Si中的一種或者兩種以上的混合物，金屬結合劑的粒度為0.1?50μηι。
[0018]步驟2)中，高溫高壓合成的具體操作是在溫度為1450?1650°C、壓力為5?7GPa的條件下保溫3?15min。
[0019]本發明中，催化劑所起的作用是:提高滲硼劑的活化能力，降低滲硼溫度，從而加速滲硼過程。其中，稀土的作用主要為:①還原性較強，在化學反應中能把活性硼原子從它們的氧化物中還原出來，因此稀土催化劑的加入能加速滲劑的分解，促進活性硼原子的析出。②稀土元素電負性小、化學活性大，可在基體表面形成許多活性中心，加速活性硼原子在硬質合金表面的吸附，為硼原子向基體內擴散提供條件。③稀土元素的滲入，使基體金屬的晶格發生畸變，導致晶體中的空位和位錯缺陷數量增多，為硼原子擴散提供更多的通道，并降低硼原子的擴散激活能。
[0020]本發明中的滲硼劑在使用一次后，另加入滲硼劑重量的35%以上的新滲硼劑可重復使用。
[0021]本發明采用固體粉末滲硼法在基體表面生成含鈷的化合物滲層，以達到固定基體表面鈷的作用，由于滲層與基體之間形成冶金結合，保持了基體的連續性，因此，兩者之間的附著力較好。滲層與基體所不同之處是，滲層中的鈷以化合物的形式存在，而基體中的鈷以單質固溶體的形式存在。前者在滲硼過程中基體中的鈷向表面迀移，滲層鈷含量較高，在沉積過程中滲層有阻擋基體中的鈷向表面擴散的作用。而在沉積過程中擴散到滲層的鈷又與滲層發生反應，進一步固定了單質鈷，并且可增強金剛石復合片硬質合金基體和聚晶金剛石之間的結合強度。
[0022]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
1)與普通含硼聚晶金剛石復合片的制備相比，采用本發明的真空滲硼處理后硬質合金表面無任何附著物，不需要繁瑣的表面清洗等步驟；
2)在硬質合金基體表面形成一層穩定的化合物Co的固溶體，且滲硼層的厚度較厚，約10?20μπι，可有效地控制鈷的擴散和迀移，消除鈷在金剛石與基體結合時的不利影響，提高聚晶金剛石復合片的質量和結合力，進而延長復合片的使用壽命，并且該工藝重復性好，適用于工業化生產。
【附圖說明】
[0023]圖1是實施例1的復合片基體滲硼前后的XRD掃描結果。
【具體實施方式】
[0024]下面實施例只為進一步說明本發明，不以任何形式限制本發明。
[0025]實施例1
一種滲硼聚晶金剛石復合片，包括硬質合金基體和聚晶金剛石，所述硬質合金基體表面經過真空表面滲硼處理形成一層Co的固溶體層。所述Co的固溶體層的厚度為ΙΟμπι，其物相組成為Co2W2B、CoWB和CoB。
[0026]所述含硼聚晶金剛石復合片的制備方法，包括以下步驟:
1)將硬質合金基體置于真空室壓力為10—2Pa的真空室內，以碳化硼粉為滲硼劑，加入催化劑后，于850°C下處理為10h，得到表面形成厚度為1ymCo的固溶體層的硬質合金基體；所述催化劑為氟硼酸鈉;所述催化劑的加入量為滲硼劑重量的8%;
2)取金剛石微粉、金屬結合劑、硬質合金基體裝配成組裝塊，組裝前對硬質合金基體進行超聲波清洗，真空熱處理后將組裝塊裝入葉臘石腔體內，在六面頂壓機中高溫高壓合成即得;該步驟中，所述金剛石微粉的純度為99.8%，平均粒度為0.8μηι;金屬結合劑為Fe、Co、N1、Si中的一種或者兩種以上的混合物，金屬結合劑的粒度為0.Ιμπι;金剛石微粉和金屬結合劑的重量百分比為:金剛石微粉70%、金屬結合劑30%;高溫高壓合成的具體操作是在1450°C、7GPa 下保溫 15min。
[0027]實施例2
一種滲硼聚晶金剛石復合片，包括硬質合金基體和聚晶金剛石，所述硬質合金基體表面經過真空表面滲硼處理形成一層Co的固溶體層。所述Co的固溶體層的厚度為15μπι，其物相組成為Co2W2B、CoWB和CoB。
[0028]所述的滲硼聚晶金剛石復合片的制備方法，包括以下步驟:
I)將硬質合金基體置于真空室壓力為10—2Pa的真空室內，以碳化硼粉為滲硼劑，加入催化劑后，于1100°C下處理2h，得到表面形成Co的固溶體層的硬質合金基體;所述催化劑為氟硼酸鉀。所述催化劑的加入量為滲硼劑重量的2%; 2)取金剛石微粉、金屬結合劑、硬質合金基體裝配成組裝塊，真空熱處理后將組裝塊裝入葉臘石腔體內，在六面頂壓機中高溫高壓合成即得。該步驟中，金剛石微粉和金屬結合劑的重量百分比為:金剛石微粉95%、金屬結合劑5%。所述金剛石微粉為單一粒度或多粒度的混合物，金剛石微粉的粒度為45μηι。所述金屬結合劑為Co和Ni的混合物，金屬結合劑的粒度為50μπι;高溫高壓合成的具體操作是在1650°C、5GPa下保溫3min。
[0029]實施例3
一種滲硼聚晶金剛石復合片，包括硬質合金基體和聚晶金剛石，所述硬質合金基體表面經過真空表面滲硼處理形成一層Co的固溶體層。所述Co的固溶體層的厚度為20μπι，其物相組成為Co2W2B、CoWB和CoB。
[0030]所述的滲硼聚晶金剛石復合片的制備方法，包括以下步驟:
1)將硬質合金基體置于真空室壓力為10—3Pa的真空室內，以碳化硼粉為滲硼劑，加入催化劑后，于900°C下處理為5h，得到表面形成Co的固溶體層的硬質合金基體;所述催化劑為氧化釔，(在其他實施例中，催化劑還可以是氧化鈰的稀土氧化物)所述催化劑的加入量為滲硼劑重量的6%;
2)取金剛石微粉、金屬結合劑、硬質合金基體裝配成組裝塊，真空熱處理后將組裝塊裝入葉臘石腔體內，在六面頂壓機中高溫高壓合成即得。該步驟中，真空熱處理步驟為:將組裝塊于壓力為10—3Pa、溫度為900°C下處理5h。金剛石微粉和金屬結合劑的重量百分比為:金剛石微粉80%、金屬結合劑20%;所述金剛石微粉為單一粒度或多粒度的混合物，金剛石微粉的粒度為10M1。所述金屬結合劑為Fe、Co、Ni三者的混合物，金屬結合劑的粒度為1ym;高溫高壓合成的具體操作是在1550°C、6GPa下保溫lOmin。
[0031]對比試驗
對實施例1-3中的復合片基體滲硼前后進行XRD掃描，發現在經過本發明的滲硼處理之后，在基體表面生成含鈷的化合物滲層，其物相組成為C02W2BX0WB和CoB。其中圖1所示為實施例I的復合片基體滲硼前后的XRD掃描結果。
【主權項】
1.一種滲硼聚晶金剛石復合片，其特征在于，包括硬質合金基體和聚晶金剛石，所述硬質合金基體表面和聚晶金剛石之間經過真空表面滲硼處理形成有一層Co的固溶體層。2.如權利要求1所述的一種滲含硼聚晶金剛石復合片，其特征在于，所述真空表面滲硼處理的具體操作為:將滲硼劑和硬質合金基體一同置于壓力為10—3?10—2Pa的真空室內，加入催化劑，于850?1100 °C處理2?1h即可在硬質合金基體表面形成一層Co的固溶體層;所述滲硼劑為碳化硼粉;所述催化劑選自氟硼酸鉀、氟硼酸鈉和稀土氧化物中的一種或兩種以上的混合。3.如權利要求1所述的一種滲含硼聚晶金剛石復合片，其特征在于，所述Co的固溶體層的物相組成為CoW2B2、CoB和CoWB。4.如權利要求1所述的一種滲硼聚晶金剛石復合片，其特征在于，所述Co的固溶體層的厚度為10?20μπι。5.如權利要求1所述的滲硼聚晶金剛石復合片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將滲硼劑和硬質合金基體一同置于壓力為10—3?10—2Pa的真空室內，加入催化劑，于850?1100°C下處理為2?10h，得到表面形成Co的固溶體層的硬質合金基體;所述滲硼劑為碳化硼粉;所述催化劑選自氟硼酸鉀、氟硼酸鈉和稀土氧化物中的一種或兩種以上的混合； 2)取金剛石微粉、金屬結合劑與硬質合金基體裝配成組裝塊，組裝塊于壓力為10—3?10—2Pa、溫度為850?1100°C下處理2?1h后，裝入葉臘石腔體內，在六面頂壓機中高溫高壓合成即得。6.如權利要求5所述的一種滲硼聚晶金剛石復合片的制備方法，其特征在于，步驟I)中，所述催化劑的加入量為滲硼劑重量的2%?8%。7.如權利要求5所述的一種滲硼聚晶金剛石復合片的制備方法，其特征在于，步驟2)中，金剛石微粉和金屬結合劑的重量百分比為:金剛石微粉70%?95%、金屬結合劑5%?30%。8.如權利要求7所述的一種滲硼聚晶金剛石復合片的制備方法，其特征在于，所述金剛石微粉為單一粒度或多粒度的混合物，金剛石微粉的粒度為0.8?45μπι。9.如權利要求7所述的一種滲硼聚晶金剛石復合片的制備方法，其特征在于，所述金屬結合劑為Fe、Co、N1、Si中的一種或者兩種以上的混合物，金屬結合劑的粒度為0.1?50μπι。10.如權利要求5所述的一種滲硼聚晶金剛石復合片的制備方法，其特征在于，步驟2)中，高溫高壓合成的具體操作是在溫度為1450?1650°C、壓力為5?7GPa的條件下保溫3?15min0
【文檔編號】C23C8/68GK105925933SQ201610483701
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】李丙文, 馬寧
【申請人】富耐克超硬材料股份有限公司