本發(fā)明涉及超硬材料領(lǐng)域，尤其涉及一種聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法。

背景技術(shù)：

聚晶金剛石復(fù)合片（PDC-Polycrystalline Diamond Compact）是采用金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體為原料，在超高溫高壓（HTHP)條件下燒結(jié)而成的復(fù)合超硬材料。它既有金剛石的硬度與耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的強(qiáng)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(xiàn)有金剛石復(fù)合片多為一層均勻的聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金層結(jié)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(fù)合片的抗沖擊性能，但是其耐磨性能相應(yīng)的下降。故對(duì)于具有單層聚晶金剛石層的復(fù)合片而言，抗沖擊性能與耐磨性能是一對(duì)矛盾體，很難得到兼顧。

因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種聚晶金剛石復(fù)合片，包括：硬質(zhì)合金層，設(shè)置在所述硬質(zhì)合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設(shè)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(shè)置有多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。

所述的聚晶金剛石復(fù)合片，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)為設(shè)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(shè)置有與所述柱狀凸起結(jié)合的凹陷。

所述的聚晶金剛石復(fù)合片，其中，所述聚晶金剛石抗沖擊層，按質(zhì)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(jié)合劑 5%～30%

所述結(jié)合劑為金屬結(jié)合劑，由Co、Ni或Fe金屬顆粒組成。

所述的聚晶金剛石復(fù)合片，其中，所述聚晶金剛石耐磨層，按質(zhì)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(jié)合劑 5%～30%。

所述的聚晶金剛石復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jié)合劑混合均勻后加入模具中，再加入成型劑，通過模具預(yù)壓制得第一粉層；

B、將步驟A制得的第一分層放在硬質(zhì)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(jié)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(zhì)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(qiáng)條件下燒結(jié)5～30min，制備得到所述聚晶金剛石復(fù)合片。

有益效果：本發(fā)明提供了一種聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法，所述聚晶金剛石復(fù)合片，包括：硬質(zhì)合金層，設(shè)置在所述硬質(zhì)合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設(shè)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(shè)置有多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明聚晶金剛石復(fù)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(jié)構(gòu)對(duì)上層提供支撐，以最大程度提高抗沖擊性能，從而達(dá)到兼顧耐磨性和抗沖擊性的效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明聚晶金剛石復(fù)合片較佳實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種具有特殊復(fù)合金剛石層結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石復(fù)合片。如圖1所示，所述聚晶金剛石復(fù)合片，包括：硬質(zhì)合金層1，設(shè)置在硬質(zhì)合金層1上的聚晶金剛石抗沖擊層2，及設(shè)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(fā)明的聚晶金剛石抗沖擊層2為包含一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)金剛石的過渡層，且聚晶金剛石復(fù)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(jié)合界面為非平面界面，在界面處可以形成一定數(shù)量的高低分布的一定形狀的支撐結(jié)構(gòu)。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(shè)置有多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述聚晶金剛石抗沖擊層，按質(zhì)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(jié)合劑 5%～30%；

而所述聚晶金剛石耐磨層，按質(zhì)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(jié)合劑 5%～30%；

其中，所述結(jié)合劑為金屬結(jié)合劑，由Co、Ni或Fe金屬顆粒組成。

從組成成分上來看，本發(fā)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(xì)粒度聚晶金剛石層。

優(yōu)選的，如圖1所示，所述支撐結(jié)構(gòu)為設(shè)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(shè)置有與所述柱狀凸起結(jié)合的凹陷（未標(biāo)出）。

本發(fā)明較佳實(shí)施例中，所述柱狀凸起21嵌入到上層細(xì)粒度聚晶金剛石層內(nèi)，增大兩層聚晶金剛石的結(jié)合面積，當(dāng)上層細(xì)粒度聚晶金剛石層受到外力的正面或側(cè)面沖擊時(shí)，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(fù)合片整體的抗沖擊性能，同時(shí)一定數(shù)量的柱狀凸起可以將上層細(xì)粒度聚晶金剛石層分隔為若干個(gè)細(xì)小區(qū)域，當(dāng)上層聚晶金剛石層受到外力沖擊發(fā)生破損時(shí)，可以有效的切斷破損的區(qū)域，減小沖擊帶來的破損面積。

在本發(fā)明實(shí)施例中，上層細(xì)粒度聚晶金剛石層與下層粗粒度聚晶金剛石層之間的結(jié)合界面為非平面，下層粗粒度聚晶金剛石層形成一定數(shù)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(yù)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(jié)后形成，以一定數(shù)量、大小、間距和規(guī)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(dāng)兩者組合在一起時(shí)，優(yōu)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(jìn)一步的，所述柱狀凸起高度為0.2～2mm。所述柱狀凸起的數(shù)量為2～30個(gè)。

進(jìn)一步的，所述柱狀凸起的上端優(yōu)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(jìn)一步的，所述柱狀凸起中心點(diǎn)位于不同半徑的圓周上，同一圓周上柱狀凸起數(shù)量為3～15個(gè)，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?qū)R或錯(cuò)開分布。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種聚晶金剛石復(fù)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(jié)合劑混合均勻后加入模具中，再加入成型劑，通過模具預(yù)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(jié)合劑的比例參照上述組分的質(zhì)量比范圍。加入成型劑有助于固化成型，所述成型劑為現(xiàn)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(zhì)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(jié)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(jié)構(gòu)。其中，15～45μm粒度的金剛石顆粒和5～10μm粒度的結(jié)合劑的比例參照上述組分的質(zhì)量比范圍。

S3、將硬質(zhì)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(qiáng)條件下燒結(jié)5～30min，制備得到所述聚晶金剛石復(fù)合片。

本發(fā)明的創(chuàng)造性的將兩層不同粒度聚晶金剛石層以特殊的復(fù)合界面結(jié)合到一起，通過該種結(jié)合方式上層細(xì)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(jié)構(gòu)對(duì)上層提高支撐以最大程度提高抗沖擊性能，達(dá)到兼顧耐磨性和抗沖擊性的效果。

實(shí)施例1：

一種聚晶金剛石復(fù)合片，包括：硬質(zhì)合金層，設(shè)置在硬質(zhì)合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設(shè)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(shè)置有多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)為設(shè)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(zhì)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(jié)合劑；所述聚晶金剛石耐磨層，按質(zhì)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(jié)合劑，所述結(jié)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(shí)施例2：

一種聚晶金剛石復(fù)合片，包括：硬質(zhì)合金層，設(shè)置在硬質(zhì)合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設(shè)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(shè)置有多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)為設(shè)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(zhì)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(jié)合劑；所述聚晶金剛石耐磨層，按質(zhì)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(jié)合劑，所述結(jié)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(shí)施例3：

一種聚晶金剛石復(fù)合片，包括：硬質(zhì)合金層，設(shè)置在硬質(zhì)合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設(shè)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(shè)置有多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)為設(shè)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(zhì)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(jié)合劑；所述聚晶金剛石耐磨層，按質(zhì)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(jié)合劑，所述結(jié)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(fā)明聚晶金剛石復(fù)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(jié)合在一起，經(jīng)過高溫高壓燒結(jié)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(nèi)。在磨削巖石時(shí)，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(jié)構(gòu)對(duì)上層金剛石層進(jìn)行支撐和保護(hù)，在使用中可以兼具優(yōu)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(fā)明提供了一種聚晶金剛石復(fù)合片及其制備方法，所述聚晶金剛石復(fù)合片，包括：硬質(zhì)合金層，設(shè)置在所述硬質(zhì)合金層上的聚晶金剛石抗沖擊層，及設(shè)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(shè)置有多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明聚晶金剛石復(fù)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(jié)構(gòu)對(duì)上層提供支撐，以最大程度提高抗沖擊性能，從而達(dá)到兼顧耐磨性和抗沖擊性的效果。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。