预先石墨化聚晶金刚石复合片.pdf

一种预先石墨化聚晶金刚石复合片，在硬质合金基体上覆设有金刚石单晶聚晶层，该金刚石单晶聚晶层，由金刚石单晶与硬质合金在高温高压下合成，工艺为：将金刚石单晶置于真空炉中，在0.01—0.02Pa的真空中，加热到1350-1450℃，使金刚石单晶表面预先石墨化后，与硬质合金基体一起在金属杯叶蜡石合成腔内的5—7GPa压力和1000—1200℃温度下，石墨在转换成金刚石的同时，与相接处的单晶石墨一起生长成金刚石聚晶层；生成聚晶层后，将腔体内温度提高到1400℃—1500℃，金刚石单晶聚晶层与硬质合金基体之间形成只起粘结作用的表面粘结层，把金刚石聚晶层粘结在硬质合金基体上，合成预先石墨化的聚晶金刚石复合片。

1.  一种预先石墨化聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体、金刚石单晶聚晶层，其特征在于所述硬质合金基体上覆设有金刚石单晶聚晶层，该金刚石单晶聚晶层，由金刚石单晶与硬质合金在高温高压下合成，其合成工艺为：（1）将金刚石单晶清洗干净后，置于真空炉中，在0.01—0.02Pa的真空中，加热到1350-1450℃，使金刚石单晶表面均匀预先石墨化：（2）将石墨化的金刚石单晶与硬质合金基体一起装入金属杯的叶蜡石合成腔内，在该合成腔腔体内5Gpa—7Gpa压力、1000℃—1200℃温度下，预先石墨化的金刚石单晶在此高温高压作用下，重新向金刚石转换，金刚石单晶表面的石墨在转换成金刚石的同时，与相接处的单晶石墨一起生长成结构致密的金刚石聚晶层；（3）待预先石墨化的金刚石单晶充分转化并生长成聚晶层后，将腔体内温度提高到1400—1500℃，硬质合金基体内含有的钴金属融化并扩散到金刚石单晶聚晶层与硬质合金基体之间的表面，形成一粘结层，该粘结层只起粘结作用，把生长成的金刚石聚晶层粘结在硬质合金基体上，合成为预先石墨化的聚晶金刚石复合片。

2.  根据权利要求1所述的预先石墨化聚晶金刚石复合片，其特征在于所述金刚石聚晶层在1000—1200℃生长合成为致密的纯金刚石晶层，金刚石聚晶层中只含有非金属元素碳。

3.  根据权利要求1或2所述的预先石墨化聚晶金刚石复合片，其特征在于所述金刚石单晶聚晶层，为纯微米或纳米级的金刚石单晶与硬质合金在高温高压下合成后，与硬质合金基体相粘结，形成整体的聚晶金刚石复合片。

4.  根据权利要求1所述的预先石墨化聚晶金刚石复合片，其特征在于所述金刚石单晶聚晶层与硬质合金基体的粘结，是由石墨化的金刚石单晶生长的金刚石单晶层与硬质合金基体粘结成一体，再经压制而形成预先石墨化聚晶金刚石复合片。

预先石墨化聚晶金刚石复合片
技术领域
本发明涉及石油钻井PDC钻头的金刚石复合片，特别涉及一种预先石墨化聚晶金刚石复合片。
背景技术
目前，石油钻井用的PDC钻头主要依靠金刚石复合片（PDC）来切削地层，其一般为硬质合金，即碳化钨与钴及其它微量金属烧结而成的结构。这种金刚石复合片为石油开采钻井工程做出了贡献，但其同时存在着以下缺点或不足：①金刚石复合片合成后的多种材料亲和力差，结合不牢固，易于脱损；②金刚石单晶合成的聚晶层含有金属钴、钨及其它添加的物质，当聚晶层在高压及高温下切削地层时，聚晶层内的金属物质受热膨胀，由于其膨胀系数与金刚石不同，使金刚石单晶，受膨胀应力影响而迅速脱落；③聚晶层内的钴、镍等铁族元素在受热时，产生催化作用，使金刚石单晶迅速石墨化，失去耐磨特性；④最常用的是目前用强酸对复合片聚晶层内的金属进行腐蚀，亦通常说的脱钴酸洗工艺。这个工艺虽然可使聚晶层内的金属物质如钴大幅度减少，但不能彻底清除聚晶层内含的钴金属，残留的钴在高温高压下起破坏作用。当聚晶层内的钴金属被酸洗后，聚晶层形成大量的空隙空间结构，一是容易脱落，二是在钴遇极细颗粒成分地层时，岩屑便堆积在聚晶层内的间隙中，发热膨胀，造成金刚石单晶受热脱落，直接影响金刚石复合片的坚固性及使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种预先石墨化聚晶金刚石复合片，采用将金刚石单晶清洗、加热、生长成结构致密的金刚石聚晶层到把生长成的金刚石聚晶层粘结在硬质合金基体上，制成为预先石墨化的聚晶金刚石复合片的工艺方法，有效地克服或避免上述现有技术中存在的缺点或不足。
本发明所述的预先石墨化聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体、金刚石单晶聚晶层，其特征在于所述硬质合金基体上覆设有金刚石单晶聚晶层，该金刚石单晶聚晶层，由金刚石单晶与硬质合金在高温高压下合成，其合成工艺为：（1）将金刚石单晶清洗干净后，置于真空炉中，在0.01—0.02Pa的真空中，加热到1350-1450℃，使金刚石单晶表面均匀预先石墨化：（2）将石墨化的金刚石单晶与硬质合金基体一起装入金属杯的叶蜡石合成腔内，在该合成腔腔体内5Gpa—7Gpa压力、1000℃—1200℃温度下，预先石墨化的金刚石单晶在此高温高压作用下，重新向金刚石转换，金刚石单晶表面的石墨在转换成金刚石的同时，与相接处的单晶石墨一起生长成结构致密的金刚石聚晶层；（3）待预先石墨化的金刚石单晶充分转化并生长成聚晶层后，将腔体内温度提高到1400—1500℃，硬质合金基体内含有的钴金属融化并扩散到金刚石单晶聚晶层与硬质合金基体之间的表面，形成一粘结层，该粘结层只起粘结作用，把生长成的金刚石聚晶层粘结在硬质合金基体上，合成为预先石墨化的聚晶金刚石复合片。
其中，所述金刚石聚晶层2在1000—1200℃生长合成为致密的纯金刚石晶层，金刚石聚晶层中只含有非金属元素碳。所述金刚石单晶聚晶层，为纯微米或纳米级的金刚石单晶与硬质合金在高温高压下合成后，与硬质合金基体相粘结，形成整体的聚晶金刚石复合片。所述金刚石单晶聚晶层与硬质合金基体的粘结，是由石墨化的金刚石单晶生长的金刚石单晶层与硬质合金基体粘结成一体，再经压制而形成预先石墨化聚晶金刚石复合片。
本发明与现有技术相比较具有如下优点：
1、由于金刚石单晶聚晶层已在1000—1200℃生长合成为致密的纯金刚石晶层，钴液不会渗透到聚晶层中，避免了聚晶层中含有金属。
2、金刚石单晶聚晶层先进行石墨化预处理，在高温高压下压制，石墨自然生成金刚石，把单晶结合起来，确保金刚石单晶聚晶层只含有碳等非金属元素。
3、金刚石单晶聚晶层不添加任何金属相，聚晶之间结合牢固，强度高。 
4、金刚石单晶聚晶层预先石墨化，其耐温、耐磨性能极大地提高，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明的一种实施例结构示意图；
图2为按图1所示的俯视结构示意图。
具体实施方式
参阅图1-图2，一种预先石墨化聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体1、金刚石单晶聚晶层2，其特征在于所述硬质合金基体1上覆设有金刚石单晶聚晶层2，该金刚石单晶聚晶层2，由金刚石单晶与硬质合金在高温高压下合成，其合成工艺为：（1）将金刚石单晶清洗干净后，置于真空炉中，在0.01—0.02Pa的真空中，加热到1350-1450℃，使金刚石单晶表面均匀预先石墨化：（2）将石墨化的金刚石单晶与硬质合金基体1一起装入金属杯的叶蜡石合成腔内，在合成腔腔体内5—7Gpa压力、1000—1200摄氏度腔体温度下，预先石墨化的金刚石单晶在此高温高压作用下，重新向金刚石转换，金刚石单晶表面的石墨在转换成金刚石的同时，与相接处的单晶石墨一起生长成结构致密的金刚石聚晶层；（3）待预先石墨化的金刚石单晶充分转化并生长成聚晶层后，将腔体内温度提高到1400℃—1500℃，硬质合金内含有的钴金属融化并扩散到聚晶层表表面，形成一粘结层，该粘结层只起粘结作用，把生长成的金刚石聚晶层粘结在硬质合金基体1上，合成为预先石墨化的聚晶金刚石复合片。
其中，所述金刚石聚晶层2在1000—1200℃生长合成为致密的纯金刚石晶层，金刚石聚晶层2中只含有非金属元素碳。所述金刚石单晶聚晶层2，为纯微米或纳米级的金刚石单晶与硬质合金在高温高压下合成后，与硬质合金基体1相粘结，形成整体的聚晶金刚石复合片。金刚石单晶聚晶层与硬质合金基体的粘结，是由石墨化的金刚石单晶生长的金刚石单晶层与硬质合金基体1粘结成一体，再经压制而形成预先石墨化聚晶金刚石复合片。
具体实施例一
其合成工艺为：（1）将金刚石单晶清洗干净后，置于真空炉中，在10^-2Pa的真空中，加热到1350℃，使金刚石单晶表面均匀预先石墨化：（2）将石墨化的金刚石单晶与硬质合金基体1一起装入金属杯的叶蜡石合成腔内，在合成腔腔体内5Gpa压力、1000摄氏度腔体温度下，预先石墨化的金刚石单晶在此高温高压作用下，重新向金刚石转换，金刚石单晶表面的石墨在转换成金刚石的同时，与相接处的单晶石墨一起生长成结构致密的金刚石聚晶层；（3）待预先石墨化的金刚石单晶充分转化并生长成聚晶层后，将腔体内温度提高到1400℃，硬质合金基体1内含有的钴金属融化并扩散到金刚石单晶聚晶层2与硬质合金基体1之间的表面层，该粘结层只起粘结作用，把生长成的金刚石聚晶层粘结在硬质合金基体1上，合成为预先石墨化的聚晶金刚石复合片。
实施例二
其合成工艺为：（1）将金刚石单晶清洗干净后，置于真空炉中，在0.15 Pa的真空中，加热到1400℃，使金刚石单晶表面均匀预先石墨化：（2）将石墨化的金刚石单晶与硬质合金基体1一起装入金属杯的叶蜡石合成腔内，在合成腔腔体内6Gpa压力、1100摄氏度腔体温度下，预先石墨化的金刚石单晶在此高温高压作用下，重新向金刚石转换，金刚石单晶表面的石墨在转换成金刚石的同时，与相接处的单晶石墨一起生长成结构致密的金刚石聚晶层；（3）待预先石墨化的金刚石单晶充分转化并生长成聚晶层后，将腔体内温度提高到1500℃，硬质合金基体1内含有的钴金属融化并扩散到金刚石单晶聚晶层2与硬质合金基体1之间的表面层，该粘结层只起粘结作用，把生长成的金刚石聚晶层粘结在硬质合金基体1上，合成为预先石墨化的聚晶金刚石复合片。
实施例三
其合成工艺为：（1）将金刚石单晶清洗干净后，置于真空炉中，在0.02Pa的真空中，加热到1450℃，使金刚石单晶表面均匀预先石墨化：（2）将石墨化的金刚石单晶与硬质合金基体1一起装入金属杯的叶蜡石合成腔内，在合成腔腔体内7Gpa压力、1200摄氏度腔体温度下，预先石墨化的金刚石单晶在此高温高压作用下，重新向金刚石转换，金刚石单晶表面的石墨在转换成金刚石的同时，与相接处的单晶石墨一起生长成结构致密的金刚石聚晶层；（3）待预先石墨化的金刚石单晶充分转化并生长成聚晶层后，将腔体内温度提高到（？℃），硬质合金基体1内含有的钴金属融化并扩散到金刚石单晶聚晶层2与硬质合金基体1之间的表面层，该粘结层只起粘结作用，把生长成的金刚石聚晶层粘结在硬质合金基体1上，合成为预先石墨化的聚晶金刚石复合片。