CN102678057B - 一种金刚石复合片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金刚石复合片，包括聚晶金刚石层和与所述聚晶金刚石层相复合的基体；其中，所述聚晶金刚石层的顶层远离所述基体；所述聚晶金刚石层的顶层上设置有多个孔隙，且所述孔隙内均设置有结晶状的纳米金刚石。本发明提供的金刚石复合片提高了耐磨性，进而延长了其制成的钻齿的使用寿命，提高了连续工作效率。本发明还提供了一种金刚石复合片的制备方法，包括步骤：1）制备所述聚晶金刚石层；2）在所述聚晶金刚石层的顶层上设置多个孔隙；3）向所述孔隙内填入结晶状的纳米金刚石；4）将上述步骤得到的所述聚晶金刚石层与所述基体在高压高温下烧结复合在一起。
Description
技术领域
本发明涉及钻井设备技术领域，更具体地说，涉及一种金刚石复合片，本发明还涉及一种金刚石复合片的制备方法。
背景技术
聚晶金刚石复合片（PDC，polycrystalline diamond composite）作为一种新型复合材料，广泛地应用于地质钻探、非铁金属及合金、硬质合金、石墨、塑料、橡胶、陶瓷和木材等材料的切削加工等领域。
聚晶金刚石复合片是一种卓越的切削工具与耐磨工具材料，其一般由聚晶金刚石层和基体在高压高温下烧结复合而成。其中，聚晶金刚石层由无数微小金刚石颗粒和粘结剂混合烧结而成，其具有较高的硬度、耐磨性和较长的工作寿命；基体一般为钨钴类硬质合金，它具有较好的抗冲击韧性，为聚晶金刚石层提供良好的支撑，且容易通过钎焊焊接到各种工具上。
但是，现有技术的聚晶金刚石复合片制成的PDC钻齿较适合于钻软到中硬的均质地层。当利用其钻取硬地层或高研磨性地层以及软硬交替等不均匀质地层时，这种金刚石钻齿易因耐磨性不够而导致钻齿使用寿命缩短，影响连续工作效率。
综上所述，如何提供一种金刚石复合片及其制备方法，以提高金刚石复合片的耐磨性，进而延长其制成的钻齿的使用寿命，提高连续工作效率，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金刚石复合片及其制备方法，以提高金刚石复合片的耐磨性，进而延长其制成的钻齿的使用寿命，提高连续工作效率。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种金刚石复合片，包括聚晶金刚石层和与所述聚晶金刚石层相复合的基体；其中，所述聚晶金刚石层的顶层远离所述基体；
所述聚晶金刚石层的顶层上设置有多个孔隙，且所述孔隙内均设置有结晶状的纳米金刚石。
优选的，上述金刚石复合片中，所述孔隙通过酸蚀将所述顶层内的结合剂钴去除而获取。
优选的，上述金刚石复合片中，包括多层层叠在一起的所述聚晶金刚石层，且每层所述聚晶金刚石层的底层均设置有所述基体。
优选的，上述金刚石复合片中，所述聚晶金刚石层为两层。
优选的，上述金刚石复合片中，所述基体为WC+Co硬质合金。
优选的，上述金刚石复合片中，所述聚晶金刚石层的金刚石体积含量大于80%。
优选的，上述金刚石复合片中，所述聚晶金刚石层的厚度为1.5mm-2.5mm，且所述顶层的厚度为0.15mm-0.35mm。
优选的，上述金刚石复合片中，位于中间层的所述基体的厚度为1.5mm-2.5mm。
基于上述提供的金刚石复合片，本发明还提供了一种金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：
1）制备所述聚晶金刚石层；
2）在所述聚晶金刚石层的顶层上设置多个孔隙；
3）向所述孔隙内填入结晶状的纳米金刚石；
4）将上述步骤得到的所述聚晶金刚石层与所述基体在高压高温下烧结复合在一起。
优选的，上述金刚石复合片的制备方法中，步骤2）具体为：
利用酸蚀去除所述顶层内的结合剂钴，使其上产生多个所述孔隙。
本发明提供的金刚石复合片包括聚晶金刚石层和与聚晶金刚石层相复合的基体；其中，聚晶金刚石层的顶层远离基体；聚晶金刚石层的顶层上设置有多个孔隙，且孔隙内均设置有结晶状的纳米金刚石。
由于本发明提供的金刚石复合片是在现有技术的聚晶金刚石复合片的基础上，在聚晶金刚石层的顶层上设置有多个孔隙，孔隙中加进结晶状的纳米金刚石，此时聚晶金刚石层的顶层比底层更加热稳定，该聚晶金刚石层与基体通过高温高压烧结而得到的金刚石复合片，既有金属与金属之间的结合，又有金刚石微粒之间的结合，金刚石微小晶体各自任意定向，排列无规则，所以它具有天然金刚石的硬度和很高的耐磨性，且它的抗冲击强度高于天然金刚石，不易开裂，性能稳定可靠。该金刚石复合片适合于对物体进行切削、钻探、钻孔或破碎的工具，特别适合应用于包括坚硬或耐磨的材料的工具，例如岩层钻探或油气等深井钻探钻齿。
与现有技术相比，本发明提供的金刚石复合片提高了耐磨性，进而延长了其制成的钻齿的使用寿命，提高了连续工作效率。同时，其提高了钻齿的硬度和磨损寿命，使钻齿特别适合于难钻地层及复杂地层。
本发明提供的金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：
1）制备聚晶金刚石层：
该制备工艺采用现有技术中制备聚晶金刚石的方法；
2）在聚晶金刚石层的顶层上设置多个孔隙；
3）向孔隙内填入结晶状的纳米金刚石：
通过离心抛渗或其他方法将结晶状的纳米金刚石填入或渗入上述孔隙中；
4）将上述步骤得到的聚晶金刚石层与基体在高压高温下烧结复合在一起：
将聚晶金刚石层与基体层叠在一起放入高温炉，通过烧制使两者之间的结合剂熔合粘结为一体。
本发明提供的金刚石复合片的制备方法得到的金刚石复合片，亦具有本发明提供的金刚石复合片的优点，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的金刚石复合片的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的金刚石复合片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的金刚石复合片的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种金刚石复合片及其制备方法，提高了金刚石复合片的耐磨性，进而延长了其制成的钻齿的使用寿命，提高了连续工作效率。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1所示，本发明实施例提供的金刚石复合片包括聚晶金刚石层1和与聚晶金刚石层1相复合的基体2；其中，聚晶金刚石层1的顶层11远离基体2；聚晶金刚石层1的顶层11上设置有多个孔隙，且孔隙内均设置有结晶状的纳米金刚石。
由于本发明实施例提供的金刚石复合片是在现有技术的聚晶金刚石复合片的基础上，在聚晶金刚石层1的顶层11的孔隙中加进结晶状的纳米金刚石，此时聚晶金刚石层1的顶层11比底层12更加热稳定，聚晶金刚石层1与基体2通过高温高压烧结而得到的金刚石复合片，既有金属与金属之间的结合，又有金刚石微粒之间的结合，金刚石微小晶体各自任意定向，排列无规则，所以它具有天然金刚石的硬度和很高的耐磨性，且它的抗冲击强度高于天然金刚石，不易开裂，性能稳定可靠。该金刚石复合片适合于对物体进行切削、钻探、钻孔或破碎的工具，特别适合应用于包括坚硬或耐磨的材料的工具，例如岩层钻探或油气等深井钻探钻齿。
与现有技术相比，本发明实施例提供的金刚石复合片提高了耐磨性，进而延长了其制成的钻齿的使用寿命，提高了连续工作效率。同时，其提高了钻齿的硬度和磨损寿命，使钻齿特别适合于难钻地层及复杂地层。
优选的，上述实施例提供的金刚石复合片中，孔隙通过酸蚀将顶层11内的结合剂钴去除而获取。当然，孔隙也可以通过其它浸出技术将结合剂钴去除，或采用机械方法制造。结合剂包含用于金刚石的溶剂或催化剂，结合剂也可以是能够与金刚石反应形成金属化合物的难熔金属。
本发明另一实施例提供的金刚石复合片中，包括多层层叠在一起的聚晶金刚石层1，且每层聚晶金刚石层1的底层12均设置有基体2；每层聚晶金刚石层1的顶层11上均设置有多个孔隙，且孔隙内均设置有结晶状的纳米金刚石。
由于上述实施例提供的金刚石复合片的每层聚晶金刚石层1的顶层11的孔隙中均加进了结晶状的纳米金刚石，聚晶金刚石层1的顶层11比底层12更加热稳定，聚晶金刚石层1与基体2通过高温高压烧结而得到金刚石复合片，既有金属与金属之间的结合，又有金刚石微粒之间的结合，金刚石微小晶体各自任意定向，排列无规则，所以它具有天然金刚石的硬度和很高的耐磨性，且它的抗冲击强度高于天然金刚石，不易开裂，性能稳定可靠。该金刚石复合片适合于对物体进行切削、钻探、钻孔或破碎的工具，特别适合应用于包括坚硬或耐磨的材料的工具，例如岩层钻探或油气等深井钻探钻齿。
此外，与本发明上一实施例提供的具有单层的聚晶金刚石层1的金刚石复合片相比，本实施例提供的金刚石复合片的抗磨损性和抗冲击性明显增强。
与现有技术相比，本发明的另一实施例提供的金刚石复合片提高了耐磨性，进而延长了其制成的钻齿的使用寿命，提高了连续工作效率。同时，其提高了钻齿的硬度和磨损寿命，特别适合于难钻地层及复杂地层。
具体的，聚晶金刚石层1为两层，如附图2所示。当然，本实施例提供的金刚石复合片也可以包括其它层数的聚晶金刚石层1，应根据实际的工作场合来选取。
具体的，上述实施例提供的金刚石复合片中，基体2为WC+Co硬质合金。WC+Co硬质合金属于钨钴类合金，基体2还可以采用其他种类的硬质合金。
为了使本发明实施例提供的金刚石复合片满足一定的硬度和耐磨性要求，聚晶金刚石层1的金刚石体积含量大于80%。
上述实施例提供的金刚石复合片中，聚晶金刚石层1的厚度为1.5mm-2.5mm，且顶层11的厚度为0.15mm-0.35mm。聚晶金刚石层1以及其顶层11也可以为其他尺寸的厚度，可根据实际场合进行选择，本发明实施例不做限定。
为了进一步优化上述技术方案，上述实施例提供的金刚石复合片中，位于中间层的基体2的厚度为1.5mm-2.5mm。在制造该金刚石复合片的过程中，优选的将聚晶金刚石层1和处于中间位置的基体2制造成相同的厚度，以便于对多层聚晶金刚石层1以及基体2的厚度的加工；当然，也可以选择不同的厚度尺寸。
请参阅附图3所示，本发明实施例还提供一种金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：
S1）制备聚晶金刚石层1：
该制备工艺采用现有技术中制备聚晶金刚石的方法；
S2）在聚晶金刚石层1的顶层11上设置多个孔隙；
S3）向孔隙内填入结晶状的纳米金刚石：
通过离心抛渗或其他方法将结晶状的纳米金刚石填入或渗入上述孔隙中；
S4）将上述步骤得到的聚晶金刚石层1与基体2在高压高温下烧结复合在一起：
将聚晶金刚石层1与基体2层叠在一起放入高温炉，通过烧制使两者之间的结合剂熔合粘结为一体。
本发明实施例提供的金刚石复合片的制备方法得到的金刚石复合片，亦具有本发明实施例提供的金刚石复合片的优点，在此不再赘述。
具体的，上述实施例提供的金刚石复合片的制备方法中，步骤S2）具体为：利用酸蚀去除顶层11内的结合剂钴，使其上产生多个孔隙。当然，孔隙也可以通过其它浸出技术将结合剂中的其他物质去除，或采用机械方法制造。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种金刚石复合片，包括聚晶金刚石层(1)和与所述聚晶金刚石层(1)相复合的基体(2)；其中，所述聚晶金刚石层(1)的顶层(11)远离所述基体(2)；其特征在于，
所述聚晶金刚石层(1)的顶层(11)上设置有多个孔隙，且所述孔隙内均设置有结晶状的纳米金刚石。
2.根据权利要求1所述的金刚石复合片，其特征在于，所述孔隙通过酸蚀将所述顶层(11)内的结合剂钴去除而获取。
3.根据权利要求2所述的金刚石复合片，其特征在于，该金刚石复合片包括多层层叠在一起的所述聚晶金刚石层(1)，且每层所述聚晶金刚石层(1)的底层(12)均设置有所述基体(2)。
4.根据权利要求3所述的金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层(1)为两层。
5.根据权利要求1所述的金刚石复合片，其特征在于，所述基体(2)为WC+Co硬质合金。
6.根据权利要求5所述的金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层(1)的金刚石体积含量大于80％。
7.根据权利要求6所述的金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层(1)的厚度为1.5mm-2.5mm，且所述顶层(11)的厚度为0.15mm-0.35mm。
8.根据权利要求7所述的金刚石复合片，其特征在于，位于中间层的所述基体(2)的厚度为1.5mm-2.5mm。
9.一种金刚石复合片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备聚晶金刚石层(1)；
2)在所述聚晶金刚石层(1)的顶层(11)上设置多个孔隙；
3)向所述孔隙内填入结晶状的纳米金刚石；
4)将上述步骤得到的所述聚晶金刚石层(1)与基体(2)在高压高温下烧结复合在一起。
10.根据权利要求9所述的金刚石复合片的制备方法，其特征在于，步骤2)具体为：
利用酸蚀去除所述顶层(11)内的结合剂钴，使其上产生多个所述孔隙。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Zhuzhou City, Hunan province 412000 Lusong District of Prince Edward Road, hi tech Park Dong Jia Duan Patentee after: ZHU ZHOU SEED CEMENTED CARBIDE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Zhuzhou City, Hunan province 412000 Lusong District of Prince Edward Road, hi tech Park Dong Jia Duan Patentee before: Zhu Zhou Seed Cemented Carbide Technology Co.,Ltd. |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: Zhuzhou City, Hunan province 412002 Lusong District of Prince Edward Road, hi tech Park Dong Jia Duan Patentee after: SEED TECHNOLOGIES Corp.,Ltd. Address before: Zhuzhou City, Hunan province 412000 Lusong District of Prince Edward Road, hi tech Park Dong Jia Duan Patentee before: ZHU ZHOU SEED CEMENTED CARBIDE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A diamond composite sheet and its preparation method Effective date of registration: 20231226 Granted publication date: 20150121 Pledgee: Changsha Bank city branch of Limited by Share Ltd. Pledgor: SEED TECHNOLOGIES Corp.,Ltd. Registration number: Y2023980074149 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |