CN104879066A - 钻探用金刚石复合片基体制备方法及复合片基体 - Google Patents

Abstract

一种钻探用金刚石复合片基体制备方法及复合片基体，将与聚晶金刚石层相结合的硬质合金基体分层两层，其中一层为与聚晶金刚石层相结合的上基体层，另一层为下基体层；硬质合金上基体层与硬质合金下基体层通过压制烧结结合成一个整体；为保证聚晶金刚石层界面与硬质合金基体结合可靠，硬质合金上基体层采用高含钴量配方，同时为了增加硬质合金基体后部的硬度和耐磨性，硬质合金下基体层采用低含钴量配方，使得硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的钴含量，且通过控制硬质合金上基体层与硬质合金下基体层的厚度和碳化钨材料的颗粒大小，使得硬质合金表面基体的整体硬度和耐磨性提高。

Description

钻探用金刚石复合片基体制备方法及复合片基体

技术领域

本发明涉及到一种硬质合金产品及其制作方法，具体涉及一种金刚石复合片用硬质合金基体及其制备，属金刚石/硬质合金复合材料制备技术领域。

背景技术：

金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC）是由金刚石微粉与硬质合金基体在超高压条件下烧结而成的一种层状结构复合超硬材料，采用金刚石复合片作为岩石切削齿的复合片钻头已广泛应用于石油、天然气钻井行业。目前一般采用钴含量在15-16%的钨钴硬质合金作为钻探用金刚石复合片的基体，以确保金刚石微粉在高压烧结时基体有足够的钴扩散进入金刚石层，促进其烧结，并使硬质合金基体与金刚石层牢固结合。但在实际应用中发现，金刚石复合片在钻进过程中至始至终都需要泥浆来进行冷却，泥浆与夹杂其中的岩屑对复合片的不断冲刷常常使得复合片的硬质合金基体部分率先磨损，导致金刚石层失去支撑而崩缺。因此，作为金刚石复合片组成部分之一的硬质合金基体不但要有较高的抗冲击韧性，还应具有足够的耐磨性。随着钻井深度与钻进地层硬度的增加，对复合片合金基体耐磨性的要求也越来越高。现有的硬质合金基体难以满足需要，因此很有必要对此加以改进。

通过专利检索没发现有与本发明相同技术的专利文献报道，与本发明有一定关系的专利主要有以下几个：

1、专利号为CN201310530290， 名称为“一种合成聚晶金刚石复合片的硬质合金基体”的发明专利，该专利公开了一种用于合成聚晶金刚石复合片的硬质合金基体，其中，硬质合金基体中用于与金刚石的结合面为弧形面，且弧形面上设置有均匀分布的凸起。本申请中通过将硬质合金基体中与金刚石结合的结合面设置为弧形面，并在弧形面上设置凸起，设置的弧形面一方面增加了金刚石层与硬质合金基体的接触面积，以减小单位接触面上的残余应力，还减小了合成聚晶金刚石复合片过程中的横向压力梯度，从而改善了复合片中的残余热应力分布。

2、专利号为CN201320220994， 名称为“一种用于聚晶金刚石复合片的柱状硬质合金基体”的实用新型专利，该专利公开了一种用于聚晶金刚石复合片的柱状硬质合金基体，在基体的上端面设有一个或多个凸起，各凸起为呈同心的环状凸起；上端面边缘有一个或多个环状间隔分布的下沉沟槽，所述下沉沟槽之间是面对称或中心对称，相邻两个突起之间构成环形凹槽。

3、专利号为CN201120149569， 名称为“一种人造金刚石复合片用硬质合金基体” 的实用新型专利，该专利公开了一种人造金刚石复合片用硬质合金基体，该基体整体呈圆柱形，其一个端面为平面，另一个端面的中间部分为穹形凸台，该穹形凸台的两端分别具有一个V型槽。该实用新型的人造金刚石复合片用硬质合金基体具有特殊槽型结构，从而有效提高该类产品的综合使用性能，并降低其材料消耗。

4、专利号为CN201220551569， 名称为“一种人造金刚石球齿复合片用平台型硬质合金基体” 的发明专利，该专利公开了一种人造金刚石球齿复合片用平台型硬质合金基体，它包括有圆柱形底座和断面为梯形的圆台，所述的断面为梯形的圆台顶部为平台，所述的平台的边缘处向下为大圆弧过渡面，所述的大圆弧过渡面下端连接圆台面的上端。所述的圆台面的下端与小圆弧过渡面上端连接，所述小圆弧过渡面下端与所述圆柱形底座的上端环面连接。该专利利用这种硬质合金基体生产的梯形台齿及与其类似形状齿在内的多种异型人造金刚石球齿复合片，其金刚石层厚度均匀，内在残余应力低，产品质量及稳定性均有显著提高。

上述这些专利虽然都涉及到聚晶金刚石复合片的硬质合金基体，但都没有提出如何改进硬质合金基体耐磨性的问题，因此仍没有解决实际应用中那种复合片的硬质合金基体部分率先磨损，导致金刚石层失去支撑而崩缺的问题，因此仍有待进一步加以改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有聚晶金刚石复合片的硬质合金基体部分率先磨损，导致金刚石层失去支撑而崩缺的不足，提出一种耐磨性更好，同时又能保证基体与金刚石层牢固结合的硬质合金基体，该硬质合金基体的耐磨性可显著提高，从而提高金刚石复合片的使用寿命。

为了达到这一目的，本发明提供了一种钻探用金刚石复合片基体制备方法及硬质合金基体。根据研究发现，硬质合金基体在经受复合片制备过程的高温高压后，其中的部分金属钴会扩散进入金刚石层，特别是靠近聚晶金刚石层部分的钴含量明显降低，大约减少2-3个百分点，而离界面3毫米以上区域测出的合金钴含量则与高温高压前一致，为了保证聚晶金刚石层界面与硬质合金基体结合的强度，通常的做法是采用钴含量在15-16%之间的硬质合金做基体，但是这样一来就使得硬质合金基体整体的硬度和耐磨性下降，特别是离界面2毫米以上区域的硬质合金基体容易出现磨损凹陷，当凹陷达到一定程度就可能发生金刚石层的边缘因失去有效支撑而崩缺。为此，本发明所采取的改进方案就是：一种钻探用金刚石复合片基体制备方法，将与聚晶金刚石层相结合的硬质合金基体分层两层，其中一层为与聚晶金刚石层相结合的上基体层，另一层为下基体层；硬质合金上基体层与硬质合金下基体层通过压制烧结结合成一个整体；为保证聚晶金刚石层界面与硬质合金基体结合可靠，硬质合金上基体层采用高含钴量配方，同时为了增加硬质合金基体后部的硬度和耐磨性，硬质合金下基体层采用低含钴量配方，使得硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的钴含量，且通过控制硬质合金上基体层与硬质合金下基体层的厚度和碳化钨材料的颗粒大小，使得硬质合金表面基体的整体硬度和耐磨性提高。

进一步地，所述的使得硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的钴含量是硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的含量2-3个百分点，以保证聚晶金刚石层与硬质合金基体在超高压条件下烧结而成的一种层状结构复合超硬材料后，与聚晶金刚石层相结合的硬质合金基体界面的钴含量与硬质合金下基体层基本是一致的。

进一步地，所述的硬质合金上基体层的钴含量为15-16%，硬质合金下基体层的钴含量为11-13%，使得聚晶金刚石层与硬质合金基体既能顺利烧结成型，又能保证硬质合金基体的强度和耐磨性。

进一步地，所述的控制硬质合金上基体层与硬质合金下基体层的厚度是将硬质合金上基体层的厚度控制在2.5-4.0mm之间，而硬质合金下基体层的厚度可以根据产品的需要任意确定。

进一步地，所述的控制碳化钨材料的颗粒大小是将硬质合金上基体层的WC粒度控制在1.0-1.5微米，将硬质合金下基体层的WC粒度控制在2-6微米。

一种按照上述钻探用金刚石复合片基体制备方法制作的复合片基体，复合片基体为硬质合金基体，其特点在于，硬质合金基体分为两层，其中一层为与聚晶金刚石层相结合的上基体层，另一层为下基体层；硬质合金上基体层与硬质合金下基体层通过压制烧结结合成一个整体。

进一步地，所述的硬质合金上基体层的钴含量为15-16%；硬质合金上基体层的厚度控制在2-4mm之间；硬质合金上基体层的WC粒度控制在1.0-1.5微米。

进一步地，所述的硬质合金下基体层的钴含量为11-13%；硬质合金下基体层的WC粒度控制在2-6微米。

本发明的优点在于：

本发明将硬质合金基体分为两层，并采用不同的WC粒度，使得硬质合金基体能够同时满足耐磨性和韧性的需求，主要有以下特点：

1）采用两层结构的硬质合金基体，在靠近聚晶金刚石层的上基体层采用细粒度的WC以保证其耐磨性，在下基体层使用较粗的WC以提高基体的抗冲击韧性。

2）由于靠近金刚石层部分的硬质合金基体钴含量为15-16%，可保证复合片的烧结能顺利进行。硬质合金基体经过烧结，部分钴流失后，钴含量仍能保持在13%左右，有利于保证硬质合金基体整体的强度。

3）由于采用了双层结构，下基体层采用较低的钴含量（11-13%）合金，可提高基体的耐磨性。

4）通过控制两层结构尺寸，使得硬质合金上基体层在烧结后含钴量基本上与硬质合金下基体层一样，这样有利于使得硬质合金基体整体性能基本一致。

附图说明

图1是本发明基体的结构示意图;

图2为工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本发明。

实施例一

本发明的硬质合金基体制备过程按图1所示的流程图进行。如图2所示，本发明的复合片基体分为两部分，其中一层为与聚晶金刚石层相结合的上基体层1，另一层为下基体层2；硬质合金上基体层1与硬质合金下基体层2通过压制成型与真空烧结结合成一体。硬质合金基体尺寸为×13mm，由两部分组成，靠近金刚石层的3mm部分钴含量为16%，WC粒度1.0-1.5微米，其余部分的钴含量为13%，WC粒度2.4-3.0微米。

实施例二

实施例二的结构与实施例一基本是一样的，只是复合片基体尺寸为×8mm，由两部分组成，靠近金刚石层的2.5mm部分钴含量为15%，WC粒度1.0-1.5微米，其余部分的钴含量为11%，WC粒度4.0-4.8微米。

实施例三

实施例三的结构与实施例一基本是一样的，只是复合片基体尺寸为×13mm，由两部分组成，靠近金刚石层的3mm部分钴含量为15%，WC粒度1.5-2.0微米，其余部分的钴含量为12%，WC粒度3.5-4.0微米。

上述所列实施例，只是结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

根据上述实施例可以看出，本发明还涉及一种钻探用金刚石复合片基体制备方法，将与聚晶金刚石层相结合的硬质合金基体分层两层，其中一层为与聚晶金刚石层相结合的上基体层，另一层为下基体层；硬质合金上基体层与硬质合金下基体层通过压制烧结结合成一个整体；为保证聚晶金刚石层界面与硬质合金基体结合可靠，硬质合金上基体层采用高含钴量配方，同时为了增加硬质合金基体后部的硬度和耐磨性，硬质合金下基体层采用低含钴量配方，使得硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的钴含量，且通过控制硬质合金上基体层与硬质合金下基体层的厚度和碳化钨材料的颗粒大小，使得硬质合金表面基体的整体硬度和耐磨性提高。

进一步地，所述的使得硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的钴含量是硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的含量2-3个百分点，以保证聚晶金刚石层与硬质合金基体在超高压条件下烧结而成的一种层状结构复合超硬材料后，与聚晶金刚石层相结合的硬质合金基体界面的钴含量与硬质合金下基体层基本是一致的。

进一步地，所述的硬质合金上基体层的钴含量为15-16%，硬质合金下基体层的钴含量为11-13%，使得聚晶金刚石层与硬质合金基体既能顺利烧结成型，又能保证硬质合金基体的强度和耐磨性。

进一步地，所述的控制硬质合金上基体层与硬质合金下基体层的厚度是将硬质合金上基体层的厚度控制在2.5-3.5mm之间，而硬质合金下基体层的厚度可以根据产品的需要任意确定。

进一步地，所述的控制碳化钨材料的颗粒大小是将硬质合金上基体层的WC粒度控制在1.0-1.5微米，将硬质合金下基体层的WC粒度控制在2-6微米。

本发明的优点在于：

1）采用两层结构的硬质合金基体，在靠近聚晶金刚石层的上基体层采用细粒度的WC以保证其耐磨性，在下基体层使用较粗的WC以提高基体的抗冲击韧性。

2）由于靠近金刚石层部分的硬质合金基体钴含量为15-16%，可保证复合片的烧结能顺利进行。硬质合金基体经过烧结，部分钴流失后，钴含量仍能保持在13%左右，有利于保证硬质合金整体的强度。

3）由于采用了双层结构，下基体层采用较低的钴含量（11-13%）合金，可提高基体的耐磨性。

4）通过控制两层结构尺寸，使得硬质合金上基体层在烧结后含钴量基本上与硬质合金下基体层一样，这样有利于使得硬质合金基体整体性能基本一致。

Claims (10)

1.一种钻探用金刚石复合片基体制备方法，其特征在于，将与聚晶金刚石层相结合的硬质合金基体分层两层，其中一层为与聚晶金刚石层相结合的上基体层，另一层为下基体层；硬质合金上基体层与硬质合金下基体层通过压制烧结结合成一个整体；为保证聚晶金刚石层界面与硬质合金基体结合可靠，硬质合金上基体层采用高含钴量配方，同时为了增加硬质合金基体后部的硬度和耐磨性，硬质合金下基体层采用低含钴量配方，使得硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的钴含量，且通过控制硬质合金上基体层与硬质合金下基体层的厚度和碳化钨材料的颗粒大小，使得硬质合金表面基体的整体硬度和耐磨性提高。

2.如权利要求1所述的钻探用金刚石复合片基体制备方法，其特征在于，所述的使得硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的钴含量是硬质合金上基体层的钴含量高于硬质合金下基体层的含量2-3个百分点，以保证聚晶金刚石层与硬质合金基体在超高压条件下烧结而成的一种层状结构复合超硬材料后，与聚晶金刚石层相结合的硬质合金基体界面的钴含量与硬质合金下基体层基本是一致的。

3.如权利要求2所述的钻探用金刚石复合片基体制备方法，其特征在于，所述的硬质合金上基体层的钴含量为15-16%，硬质合金下基体层的钴含量为11-13%，使得聚晶金刚石层与硬质合金基体既能顺利烧结成型，又能保证硬质合金基体的强度和耐磨性。

4.如权利要求2所述的钻探用金刚石复合片基体制备方法，其特征在于，所述的控制硬质合金上基体层与硬质合金下基体层的厚度是将硬质合金上基体层的厚度控制在2.5-3.5mm之间，而硬质合金下基体层的厚度可以根据产品的需要任意确定。

5.如权利要求2所述的钻探用金刚石复合片基体制备方法，其特征在于，所述的控制碳化钨材料的颗粒大小是将硬质合金上基体层的WC粒度控制在1.0-1.5微米，将硬质合金下基体层的WC粒度控制在2-6微米。

6.一种钻探用金刚石复合片基体，其特征在于：所述的硬质合金基体为两层，其中一层为与聚晶金刚石层相结合的硬质合金上基体层，另一层为下基体层；硬质合金上基体层与硬质合金下基体层分别配料、湿磨、制粒，然后通过依次投料、压制成型与真空烧结结合成一体。

7.如权利要求1所述的钻探用金刚石复合片基体，其特征在于：所述的硬质合金上基体层的钴含量为15-16%。

8.如权利要求1所述的钻探用金刚石复合片基体，其特征在于：硬质合金上基体层的厚度控制在2.0-4.0mm之间。

9.如权利要求1所述的钻探用金刚石复合片基体，其特征在于：硬质合金上基体层的WC粒度控制在1.0-2.0微米。

10.如权利要求1所述的钻探用金刚石复合片基体，其特征在于：所述的硬质合金下基体层的钴含量为11-13%；硬质合金下基体层的WC粒度控制在2-6微米。