一种金刚石复合片及其制备方法与流程

本发明涉及金刚石复合片，具体涉及一种金刚石复合片及其制备方法。

背景技术：

1、金刚石钻头是当前石油、天然气钻井作业的主要破岩工具，如图1和图2所示，金刚石复合片1是金刚石钻头的核心元件，通过钎焊固定在钻头体3的刀翼2上，起到切削破岩的作用，其耐磨性能直接决定了钻头的钻井效率。

2、如图3所示，金刚石复合片1由上部的pcd（polycrystalline diamond，聚晶金刚石）层4和下部的硬质合金基体5组成，金刚石复合片1通常是在温度高于1300℃、压力大于5gpa的高温高压条件下，由金刚石微粉在硬质合金中钴的渗入催化下结合形成。其中，pcd层起到切削地层的作用，硬质合金基体5提供良好的结构韧性并具有良好的钎焊性能。上部的pcd层4厚度通常在2-3.5mm，在钻进坚硬复杂地层时，pcd层4磨损至硬质合金基体后，钻头的机械钻速就会迅速降低，最终导致钻头失效。

3、为了提高金刚石复合片1的耐磨性能，除了提升上部pcd层4的材料耐磨性之外，很多厂家采用加厚pcd层4来延长复合片的使用时间，例如国外主流复合片厂家的金刚石复合片1的pcd层4厚度达到4mm以上，国内厂家的金刚石复合片的pcd层4的厚度也达到3.5mm以上。但是，pcd层4的厚度的增加会大大提高金刚石复合片1的合成难度，此外由于pcd层4属于硬脆层，厚度越大，会导致金刚石复合片的抗冲击性能越低，因此，pcd层4可增加的厚度有限。

4、现有技术中也会通过提高基体部分的耐磨性来增强金刚石复合片1整体的耐磨性能。现有技术公开了一种基于孕镶金刚石的复合片，即采用一种孕镶金刚石材料作为基体，引入金刚石颗粒提高基体的耐磨性能，制备过程中先将孕镶金刚石基体通过热压烧结，再制备成具有孕镶金刚石基体的金刚石复合片1。然而，上述现有技术存在以下技术缺陷：第一，金刚石复合片1的机械强度较低：直接采用孕镶材料代替基体会导致金刚石复合片1的机械强度大大降低，金刚石体积占比30%的孕镶材料的抗弯强度通常不到1000mpa，而硬质合金抗弯强度超过3000mpa，导致孕镶基体无法在实际场景中使用；第二，金刚石容易石墨化：上述方法采用所述硬质合金粉末（wc-co）和金刚石混合材料通过热压烧结，依照硬质合金烧结工艺条件：温度在1400℃以上，压力低于100mpa，使得金刚石处于高温低压的石墨化相变条件，金刚石表面极易出现石墨化相变损伤，从而失去耐磨性能。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：提供一种金刚石复合片及其制备方法，能够在保证金刚石复合片的机械强度的同时，有效提高金刚石复合片整体的耐磨性。

2、为达到以上目的，第一方面，本发明提供了一种金刚石复合片，包括位于上部的聚晶金刚石层和位于下部的强化基体；其中，所述强化基体包括硬质合金基体以及包覆在硬质合金基体侧面的金刚石强化层。

3、优选的，所述金刚石强化层包括改性金刚石和钴基粘接金属，其中，所述钴基粘接金属与所述改性金刚石的质量比为（7-10）：1。

4、优选的，所述改性金刚石为表面具有碳化钛镀层的金刚石颗粒，所述碳化钛镀层的厚度为0.1~0.5μm。

5、优选的，按照质量分数计，所述钴基粘接金属包括wc 60-70%、ni 4-6%和余量的co。

6、优选的，所述金刚石强化层的厚度为2-4mm。

7、第二方面，本发明还提供一种金刚石复合片的制备方法，所述制备方法包括：将金刚石微粉与强化基体毛坯组装成金刚石复合片合成模，在高温高压下形成所述金刚石复合片。

8、优选的，所述强化基体毛坯的制备方法包括：

9、将改性金刚石颗粒和钴基粘接金属粉末混合，造粒形成金刚石造粒球；

10、将金刚石造粒球装填在硬质合金基体外侧，在温度为450-500℃、压力为10-20mpa的条件下保温20-30min，形成强化基体毛坯。

11、优选的，所述改性金刚石的制备方法为：在金刚石颗粒表面镀一层厚度为0.1-0.5μm的碳化钛。

12、优选的，所述将改性金刚石颗粒和钴基粘接金属粉末混合，造粒形成金刚石造粒球的具体步骤包括：

13、将改性金刚石颗粒和钴基粘接金属粉末混合形成混合粉末；

14、在惰性气体流的作用下，将混合粉末引入由丙三醇和乙醇混合形成的喷雾中；

15、加热至80-120℃，形成金刚石造粒球。

16、优选的，在形成金刚石造粒球之后还包括：对金刚石造粒球进行筛分，选取粒径为0.8-1.5mm的金刚石造粒球。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过在硬质合金基体外侧包覆一层金刚石强化层，显著提高了金刚石复合片的基体部分的耐磨性能，从而有效提高金刚石复合片整体的耐磨性；同时保留了心部硬质合金基体部分，保证了金刚石复合片整体的机械强度。

1.一种金刚石复合片，其特征在于，包括位于上部的聚晶金刚石层和位于下部的强化基体；其中，所述强化基体包括硬质合金基体以及包覆在硬质合金基体侧面的金刚石强化层。

2.如权利要求1所述的金刚石复合片，其特征在于，所述金刚石强化层包括改性金刚石和钴基粘接金属，其中，所述钴基粘接金属与所述改性金刚石的质量比为（7-10）：1。

3.如权利要求2所述的金刚石复合片，其特征在于，所述改性金刚石为表面具有碳化钛镀层的金刚石颗粒，所述碳化钛镀层的厚度为0.1-0.5μm。

4.如权利要求2所述的金刚石复合片，其特征在于，按照质量分数计，所述钴基粘接金属包括wc 60-70%、ni 4-6%和余量的co。

5.如权利要求1所述的金刚石复合片，其特征在于，所述金刚石强化层的厚度为2-4mm。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将金刚石微粉与强化基体毛坯组装成金刚石复合片合成模，在高温高压下形成所述金刚石复合片。

7.如权利要求6所述的金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述强化基体毛坯的制备方法包括：

8.如权利要求7所述的金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述改性金刚石的制备方法为：在金刚石颗粒表面镀一层厚度为0.1-0.5μm的碳化钛。

9.如权利要求7所述的金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述将改性金刚石颗粒和钴基粘接金属粉末混合，造粒形成金刚石造粒球的具体步骤包括：

10.如权利要求9所述的金刚石复合片的制备方法，其特征在于，在形成金刚石造粒球之后还包括：对金刚石造粒球进行筛分，选取粒径为0.8-1.5mm的金刚石造粒球。