有缺CO区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片.pdf

本发明公开了一种有缺Co区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片，包括硬质合金层和聚晶金刚石层；硬质合金层由碳化物(通常为碳化钨－WC)和结合剂(通常为Co)组成，聚晶金刚石层则由金刚石和催化粘结剂(通常为Co)组成；在金刚石层表面上刻划有刻槽，其中，这些刻槽将金刚石层分为若干平台，通过去Co工艺，在聚晶金刚石层的刻槽、平台或刻槽和平台上形成缺Co区。本发明可使聚晶金刚石硬质合金复合片磨耗比增加1－2倍；在经受相同大小的冲击时，金刚石层脱落面积减少50－80％；可大幅度提高聚晶金刚石硬质合金复合片的使用温度，使用温度可以提到至少100℃；增大了使用温度范围，可使复合片在更高的磨削速度下使用。

1、  一种有缺钴区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片，包括硬质合金层(1)和聚晶金刚石层(2)；硬质合金层(1)由碳化物(通常为碳化钨-WC)和结合剂(通常为Co)组成，聚晶金刚石层(2)则由金刚石和催化粘结剂(通常为Co)组成；在金刚石层表面上刻划有刻槽(4)，其特征在于：这些刻槽将金刚石层分为若干平台(3)，通过去Co工艺，在有刻槽的聚晶金刚石层(2)上形成缺Co区(5)。

2、  根据权利要求1所述的有缺钴区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：包括刻槽(4)内表面和平台(3)在内的整个聚晶金刚石层表面为缺Co区(5)。

3、  根据权利要求1所述的有缺钴区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：刻槽(4)内表面为缺Co区(5)。

4、  根据权利要求1所述的有缺钴区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：聚晶金刚石层(2)上相邻两刻槽(4)间的平台(3)表面部分为缺Co区(5)。

5、  根据权利要求1所述的有缺钴区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片的制造方法，其特征在于：首先，在聚晶金刚石层上刻槽，通过刻槽可将聚晶金刚石硬质合金复合片的聚晶金刚石层表面形成一些平台；然后，将聚晶金刚石硬质合金复合片上不需要去Co的部分进行遮掩处理；最后，去Co，去Co的工艺可为液相法，其中液相法中的酸蚀法所用液体的配方如下：HNO₃：10-20vol％；HCl：40-60vol％；水：余量。

有缺Co区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片
技术领域：
本发明涉及超硬材料领域，尤其涉及一种石油钻井等钻探用有缺Co区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片。
背景技术：
聚晶金刚石硬质合金复合片由表层的聚晶金刚石层和底层的碳化钨钴硬质合金层高温高压复合而成，金刚石层一般含有80-95vol％的金刚石和5-20vol％的催化粘结材料组成，最常用的催化粘结材料是钴(Co)，一般来说，Co含量降低，可提高复合片的耐磨性；Co在复合片的合成中的重要作用是促进金刚石粉末的烧结而使金刚石粉末形成连续的整体，而Co作为分散的小颗粒镶嵌在金刚石颗粒之间。但是，由于Co的热膨胀系数与金刚石相差较大，如果使用温度超过400℃，就可能导致复合片出现裂纹和开裂；而当温度超过750℃，由于Co的催化作用，金刚石将开始石墨化而使复合片失效。
为了解决该问题，得到“热稳定”的聚晶金刚石硬质合金复合片，研究者提出了如下的一些方法：使用Si代替Co，合成过程中形成没有催化作用的SiC，提高“热稳定”性能；使用Mg、Ca、Sr和Ba的碳酸盐；美国专利(US 4224380)公开了一种把Co从金刚石相对密度小于80％的金刚石层中抽取出来的方法，但如果金刚石相对密度大于80％，该方法不容易将Co抽取出来。这些方法或多或少的存在一些问题，不能在不失去其他性能的基础上彻底改善复合片的热稳定性。最近，美国专利(US 6592985 B2)采用了一种使整个金刚石层表面至少0.1mm深度区内，Co含量大幅度减少的方法，可以既能保持复合片机械性能，又能提高复合片的热稳定性。因此，该专利对聚晶金刚石硬质合金复合片综合性能的提高提出了一种可行的方法。
发明内容：
本发明的目的是针对现有聚晶金刚石硬质合金复合片的缺点，提供一种既可延缓聚晶金刚石硬质合金复合片中裂纹扩展，又可增加其“热稳定”性能的有缺Co区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片。
本发明的技术方案是以下述方法实现的：
一种有缺Co区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片，包括硬质合金层和聚晶金刚石层；硬质合金层由碳化物(通常为碳化钨-WC)和结合剂(通常为Co)组成，聚晶金刚石层则由金刚石和催化粘结剂(通常为Co)组成；在金刚石层表面上刻划有刻槽，其中，这些刻槽将金刚石层分为若干平台，通过去Co工艺，在聚晶金刚石层上形成缺Co区。
包括刻槽内表面和平台在内的整个金刚石层表面为缺Co区。
所述的刻槽内表面为缺Co区。
所述的聚晶金刚石层上相邻两刻槽间的平台表面部分为缺Co区。
所述的有缺Co区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片，有时为了需要，缺Co区可深达硬质合金层。
所述的有缺Co区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片的制造方法：
首先，刻槽，在聚晶金刚石层上刻槽，通过刻槽可将聚晶金刚石硬质合金复合片的金刚石表面分成一些能够阻碍裂纹扩展的平台，而这些刻槽可以作为除去金刚石层中Co的通道，使平台、刻槽壁形成缺Co区。这些缺Co区可向外扩展，就会形成包括金刚石表面在内的大范围缺Co区。
然后，处理，将聚晶金刚石硬质合金复合片上不需要去Co的部分进行遮掩处理。
最后，去Co，去Co的工艺为液相法，采用液相法中的酸蚀法去Co时，将聚晶金刚石硬质合金复合片浸没于液体中去Co。依据浸没时间以及液相的成分配比，可以控制去Co区的深度和速度。其中液相法中的酸蚀法所用液体的配方如下：HNO₃：10-20vol％；HCl：40-60vol％；水：余量；如此在聚晶金刚石层的刻槽、平台或刻槽和平台上形成缺Co区。
本发明的积极效果是：
这种有缺Co区的表面刻槽的聚晶金刚石硬质合金复合片具有如下优点：
1、磨耗比增加1-2倍；
2、在经受相同大小的冲击时，复合片金刚石层脱落面积减少了50-80％；
3、可大幅度提高聚晶金刚石硬质合金复合片的使用温度。去除Co后，金刚石颗粒之间的Co被腐蚀，该区域Co的含量大幅降低，复合片使用温度可以提到至少100℃，增大了使用温度范围，可使复合片在更高的磨削速度下使用；
4、由于Co的去除能够以刻槽为中心，缺Co区将会更加深入金刚石层深处，具有耐磨、拥有更好的“热稳定”的缺Co区更大；刻槽的存在，可以阻碍微裂纹的扩展，增加聚晶金刚石硬质合金复合片的使用寿命，使聚晶金刚石硬质合金复合片在合成中形成的内应力得到释放和调整，防止金刚石层与硬质合金层的开裂；缺Co区PCD聚晶金刚石层的耐磨性比正常区域提高1倍以上，刻槽周围缺Co区参与磨削，改变了金刚石层磨削的状况，可形成梨削效应，增加磨削的效率；通过刻槽和表面去除Co的工艺设计，可得到所需的Co在金刚石层的合理分布，提高金刚石复合片的综合性能。
附图说明：
图1为本发明的聚晶金刚石层上包括刻槽表面和平台表面都为缺Co区的结构示意图。
图2为本发明的聚晶金刚石层上刻槽表面为缺Co区的结构示意图。
图3为本发明的聚晶金刚石层上平台表面为缺Co区的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例1、
如图1所示，将带有刻槽4的由硬质合金层1和金刚石层2组成的聚晶金刚石硬质合金复合片浸泡在由HNO₃：10vol％；HCl：40vol％；水：余量配置成的溶液中，进行化学反应脱Co后，形成了包括刻槽4表面和相邻刻槽之间的平台3表面在内的整个金刚石层表面的缺Co区5。
实施例2、
如图2所示，在由硬质合金层1和金刚石层2组成的聚晶金刚石硬质合金复合片通过覆盖，使聚晶金刚石硬质合金复合片只有刻槽4部分裸露出来，然后将其浸泡在由HNO₃：15vol％；HCl：45vol％；水：余量配置成的溶液中，进行化学反应脱Co后，形成刻槽4内表面的缺Co区5。
实施例3、
如图3所示，在由硬质合金层1和聚晶金刚石层2组成的聚晶金刚石硬质合金复合片通过一定方式将刻槽4覆盖，使聚晶金刚石复合片表面没有刻槽的部分裸露出来，然后将其浸泡在由HNO₃：20vol％；HCl：50vol％；水：余量配置成的溶液中，进行化学反应脱Co后，使聚晶金刚石层上相邻两刻槽4间的平台3表面部分形成缺Co区5。