CN104131786A - 抗冲击金刚石硬质合金复合片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型结构的金刚石硬质合金复合片。包括聚晶金刚石层和硬质合金基体，采用金刚石粉末与硬质合金基体装配在一起，在高压高温条件下金刚石粉末烧结形成聚晶金刚石层并与硬质合金基体形成金刚石硬质合金复合片；其中，所述硬质合金基体的装配界面上有柱状凸台，凸台顶端面有呈点阵装的半球形凸起；所述柱状凸台的上沿和下沿均为波浪形阶梯结构；下沿比上沿大。本发明复合片界面的凸台面积比常规的圆柱凸台面积进一步增加，聚晶金刚石与硬质合金的结合力也随之增强。凸台侧面的连续波浪形结构缓解了径向冲击带来的应力扩展，使复合片的抗冲击性得到改善。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井、工程掘进技术领域，具体涉及一种新型结构的金刚石硬质合金复合片。
背景技术
金刚石硬质合金复合片(以下简称“复合片”)由金刚石粉末与硬质合金基体在超高压高温条件下烧结而成，其中聚晶金刚石层为耐磨工作层，硬质合金基体起支撑作用。复合片既具有金刚石的高硬度、高耐磨等特性，又具有硬质合金的高强度、抗冲击韧性和良好的可焊性等特性，在石油天然气钻探、地质钻探、工程钻探、煤炭开采等领域得到广泛应用。
随着钻探开采行业的发展，对钻探开采工具的耐用度、钻进效率、作业成本等提出了更高的要求。复合片作为钻探开采工具的主要切削部件，需要不断改进提高其耐磨性、抗冲击性、耐热性等性能指标，以满足市场需求。其中，金刚石层和硬质合金层的界面结构改进是提高复合片抗冲击性的重要方法之一。
在早期，金刚石硬质合金复合片的两种材料之间的结合界面是平面结构。随着研究试验的深入，平面界面结构的复合片在边缘部位应力过大的问题得到了重视，在界面结构方面出现了很多专利性的设计，如在硬质合金结合面上设计凹槽、凸起、凸台等各种几何结构，统称为非平面界面。非平面界面有利于加大聚晶金刚石层和硬质合金层的结合面积，增强结合强度，改善残余应力的分布，进而提高金刚石硬质合金复合片的抗冲击性。
虽然非平面界面改善了残余应力的分布，但实际使用过程中仍然会遇到极端的钻井条件，复合片径向抗冲击能力仍然不足。典型的改善措施是在硬质合金基体端面设计各种凸台，这样复合片金刚石层的边缘厚、中间薄，以降低金刚石层与基体之间的残余应力水平。但这种圆台凸起仍然存在一些值得改进之处，特别是在外力的冲击作用下，圆台凸起边缘的应力扩展问题仍然存在。
发明内容
本发明的目的在于通过增大聚晶金刚石层与硬质合金基体间的径向结合面积和改进结合方式，从而提高复合片整体的径向抗冲击能力和抗冲击性，使复合片可应用于更复杂恶劣的工作环境。
为达到上述目的，采用的具体方案如下：
一种金刚石硬质合金复合片，包括聚晶金刚石层和硬质合金基体，采用金刚石粉末与硬质合金基体在高压高温条件下烧结而成；
其中，所述硬质合金基体的结合面上有柱状凸台，凸台顶端面有呈点阵状的凸起；
所述柱状凸台的环形边沿呈波浪形，下沿比上沿大。
按上述方案，所述凸台顶端面的凸起为半球形。
按上述方案，所述的环形边沿呈波浪形阶梯结构。
按上述方案，所述的波浪形阶梯结构的阶梯为1～3层。
按上述方案，所述凸台的上沿与下沿连接连接线与复合片中央轴线的夹角为5-30°。
按上述方案，所述上沿和下沿的波浪形阶梯结构采用圆滑过渡。
按上述方案，所述的柱状凸台上端还有凹坑或沟槽。
本发明的技术效果在于：
本发明复合片界面的凸台面积比常规的圆柱凸台面积进一步增加，聚晶金刚石与硬质合金的结合力也随之增强。
凸台侧面的连续波浪形结构缓解了径向冲击带来的应力扩展，使复合片的抗冲击性得到改善。
在硬质合金基体界面、柱状凸台与相交面之间均圆滑过渡，降低了残余应力集中的问题。
附图说明
图1：本发明金刚石硬质合金复合片的外形图；
图2：本发明硬质合金基体界面结构外形立体图；
图3：本发明硬质合金基体的俯视图；
图4：实施例1周向压应力分布图；
1-聚晶金刚石；2-硬质合金基体；3-柱状凸台；31-凸台顶端面；32-环形面；33-半球形凸起。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
参照附图1、2、3，一种金刚石硬质合金复合片，包括聚晶金刚石1和硬质合金基体2，采用金刚石粉末与硬质合金基体2装配在一起，在高压高温条件下金刚石粉末烧结形成聚晶金刚石层1并与硬质合金基体2烧结形成金刚石硬质合金复合片；其中，所述硬质合金基体的结合面上有柱状凸台3，凸台顶端面31有呈点阵状分布的凸起33；所述柱状凸台3的环形边沿呈波浪形，下沿比上沿大，且下沿与复合片的外径之间为环形面32。采用此构造的凸台面积比常规的圆柱凸台面积进一步增加，聚晶金刚石与硬质合金的结合力也随之增强。且凸台侧面连续波浪形结构缓解了径向冲击带来的应力扩展，使复合片的抗冲击性得到改善。
优化地，凸台顶端面31的凸起33为半球形。进一步增大了结合面的接触面积。
参照附图1、2、3，凸台3的上沿与下沿连接面与复合片中央轴线的夹角在10-30°凸台上沿与下沿的连接面与中央轴线呈一定的倾角，保证凸台侧面波浪形阶梯结构有构造的空间。
上沿、下沿的波浪形阶梯均采用圆滑过渡。在硬质合金基体与聚晶金刚石层的结合界面之间均圆滑过渡，可以成功降低残余应力集中的问题。
同时柱状凸台上端还可以设计各种凸起、凹点、凹槽，以进一步增大结合面积。
实施例1
本实施例的复合片直径为15.88mm，总高度为13.2mm。结合界面凸台的侧面为波浪形，界面顶端面上有多个半球状小突起。使用有限元分析软件Abacus对金刚石层与硬质合金结构界面的残余热应力进行分析，见图4。本发明的界面周向应力(图左)为从-4534MPa到1347MPa，对照例(图右)为普通凸台结构的周向应力从-3480MPa到1782MPa。实例表明，本发明和对照例相比，周向压应力增大，周向拉应力减小，周向应力分布状态得到了改善。
将实施例1的复合片侧倾75°装夹在夹具上，使用落锤冲击试验机冲击复合片的边缘，冲击锤淬火硬度HRC60。本发明的复合片可承受冲击能量达到110J才损坏，对照例普通凸台结构的复合片可承受冲击能量达到50J即损坏。
将实施例1的复合片侧倾75°装夹在夹具上，使用落锤冲击试验机冲击复合片的边缘，冲击锤淬火硬度HRC60。本发明的复合片可承受冲击能量达到110J才损坏，对照例普通凸台结构的复合片可承受冲击能量达到50J即损坏。
Claims (5)
1.一种金刚石硬质合金复合片，包括聚晶金刚石层和硬质合金基体，采用金刚石粉末与硬质合金基体装配在一起，在高压高温条件下金刚石粉末烧结形成聚晶金刚石层并与硬质合金基体形成金刚石硬质合金复合片；
其特征在于，所述硬质合金基体的装配界面上有柱状凸台，凸台顶端面有呈点阵状的凸起；
所述柱状凸台的上沿和下沿均为波浪形阶梯结构；下沿比上沿大。
2.如权利要求1所述的金刚石硬质合金复合片，其特征在于所述凸台顶端面的凸起为半球形。
3.如权利要求1所述的金刚石硬质合金复合片，其特征在于所述凸台的上沿与下沿连接连接线与复合片中央轴线的夹角为10-30°。
4.如权利要求1所述的金刚石硬质合金复合片，其特征在于所述上沿和下沿的波浪形阶梯结构采用圆滑过渡。
5.如权利要求1所述的金刚石硬质合金复合片，其特征在于所述的柱状凸台上端还有半球形凹槽。
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Denomination of invention: Impact resistant diamond hard alloy composite sheet Effective date of registration: 20231115 Granted publication date: 20170426 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN NINESTONES SUPERABRASIVES Co.,Ltd. Registration number: Y2023980065653 |