CN105751610A - 一种聚晶金刚石复合片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚晶金刚石复合片，目的是解决因金刚石聚晶层失效而导致整个金刚石复合片失效的问题，本发明提供的聚晶金刚石复合片由金刚石聚晶层和基体组成，所述基体由是金刚石颗粒与合金粉末烧结而成，所述金刚石颗粒的质量百分比含量为10?30％，所述合金粉末的质量百分比含量为70?90％；所述合金粉末的主要组成为碳化钨、钴、镍。本发明的聚晶金刚石复合片既保持了原有基体的可焊接性和对金刚石聚晶层的支撑作用，又具有辅助耐磨性，当金刚石聚晶层失效时，基体内金刚石继续磨削岩层，延长了聚晶金刚石复合片寿命，提高了连续工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及超硬复合材料技术领域，尤其是一种聚晶金刚石复合片。
背景技术
聚晶金刚石复合片(PDC)，属于新型功能材料，由细颗粒金刚石聚晶层与硬质合金基体经过高温高压烧结而成的复合材料。它由一层聚晶金刚石层和硬质合金基体构成，也有在聚晶金刚石层和硬质合金基体之间植入很薄的一层过渡层连接在一起，如图1所示。由于金刚石聚晶层具有极高的耐磨性和高硬度，硬质合金基体层具有高抗冲击性及可焊接性，使其在石油钻探、地质钻探及煤田开采应用中得到广泛应用。
尽管将聚晶金刚石层和硬质合金连接在一起可以将这两种材料的优点综合在一种单一的产品中。但是钻探过程中有些岩层复杂，金刚石复合片聚晶层抗冲击强度有限，遇到特别坚硬岩层，如鹅卵石层，金刚石聚晶层很快崩碎失效，剩下的硬质合金基体随之很快失效。如公开号为CN103072332的中国发明专利公开了一种聚晶金刚石复合片，其中少钴聚晶金刚石颗粒通过充分烧结得到，保证聚晶金刚石复合片具有极高的耐磨性，富钴聚晶金刚石区域由于钴金属含量高，具有极好的抗冲击韧性，提高了聚晶金刚石复合片的耐磨性和抗冲击性，进而延长其使用寿命，提高连续工作效率。但是这种聚晶金刚石复合片的基托硬质合金基体层只具有硬质合金的可焊接性和对金刚石聚晶的支承作用，当使用过程中前端聚晶层受到破坏，硬质合金基托随之失效。不得不换钻进效率及寿命低的牙轮钻头穿透该岩层后，重新换用PDC钻头，换钻次数多，生产效率低。
公开号为203978296U的中国实用新型专利公开了一种复合片与孕镶齿的混合钻头，来保证钻头的使用寿命，适于软硬交错地层。使用孕镶齿做后排辅助齿虽然能弥补PDC失效而导致整个钻头失效的缺点，但孕镶齿加PDC齿大大增加钻头成本，加大了钻头负荷，降低钻头的钻进效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种聚晶金刚石复合片，以解决因金刚石聚晶层失效而导致整个金刚石复合片失效的问题，进而延长其使用寿命，提高连续工作效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片由金刚石聚晶层和基体组成；所述基体由是金刚石颗粒与合金粉末烧结而成；所述金刚石颗粒的质量百分比含量为10-30％，所述合金粉末的质量百分比含量为70-90％；所述合金粉末的主要组成为碳化钨、钴、镍。
优选的，所述金刚石颗粒由金刚石粗颗粒与金刚石细颗粒组成；所述基体按质量比，包括以下组分：
40-100μm粒度的金刚石细颗粒：0-10％
300-600μm粒度的金刚石粗颗粒：10-20％
1-5μm粒度的碳化钨粉末：30-60％
0.5-10μm粒度的钴、镍粉末：10-50％
其他合金粉末：3-10％。
优选的，所述基体由基体上部与基体下部组成；所述基体上靠近金刚石聚晶层的部分为基体上部，远离金刚石聚晶层的部分为基体下部；
所述基体上部，按质量比，包括以下组分：
40-100μm粒度的金刚石细颗粒：0-25％
1-5μm粒度的碳化钨粉末：40-90％
0.5-10μm粒度的钴粉末：10-35％；
所述基体下部，按质量比，包括以下组分：
300-600μm粒度的金刚石粗颗粒：12-20％
1-5μm粒度的碳化钨粉末：20-40％
0.5-10μm粒度的钴、镍粉末：20-50％
其他合金粉末：3-20％。
优选的，所述基体上部，按质量比，包括以下组分：
1-5μm粒度的碳化钨粉末：65-90％
0.5-10μm粒度的钴粉末：10-35％；
所述基体下部，按质量比，包括以下组分：
300-600μm粒度的金刚石粗颗粒：12-20％
1-5μm粒度的碳化钨粉末：20-40％
0.5-10μm粒度的钴、镍粉末：20-50％
其他合金粉末：3-20％。
优选的，所述基体上部厚度为0.2-2mm，所述基体下部厚度为2-25mm。
优选的，所述其他合金粉末为碳化硅粉末或碳化钛粉末。
优选的，所述金刚石聚晶层是将金刚石预制粉置于所述基体上，经高温1300-1550℃、高压5.5-6.5GPa，合成3-30分钟烧结而成。
优选的，所述金刚石预制粉粒度为1-40μm。
本发明的有益效果是：本发明的聚晶金刚石复合片由金刚石聚晶层和基体组成，所述基体由是金刚石颗粒与合金粉末烧结而成，既保持了原有基体的可焊接性和对金刚石聚晶层的支撑作用，又具有辅助耐磨性，当金刚石聚晶层失效时，基体内金刚石继续磨削岩层，延长了聚晶金刚石复合片寿命，提高了连续工作效率。
附图说明
图1是现有技术聚晶金刚石复合片的剖面结构示意图；
图2是本发明聚晶金刚石复合片的剖面结构示意图；
图中标记为：1-金刚石聚晶层、2-过渡层、3-基体、31-基体上部、32-基体下部。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图2所示，本发明的一种聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片由金刚石聚晶层1和基体3组成；所述基体3由是金刚石颗粒与合金粉末烧结而成；所述金刚石颗粒的质量百分比含量为10-30％，所述合金粉末的质量百分比含量为70-90％；所述合金粉末的主要组成为碳化钨、钴、镍。烧结完成后1200-1500℃温度下合金化基体3，同时保证基体3内金刚石颗粒不被石墨化。
所述金刚石颗粒由金刚石粗颗粒与金刚石细颗粒组成；所述基体3按质量比，包括以下组分：40-100μm粒度的金刚石细颗粒0-10％、300-600μm粒度的金刚石粗颗粒10-20％、1-5μm粒度的碳化钨粉末30-60％、0.5-10μm粒度的钴、镍粉末10-50％、其他合金粉末3-10％。
所述基体3由基体上部31与基体下部32组成；所述基体上靠近金刚石聚晶层1的部分为基体上部31，远离金刚石聚晶层1的部分为基体下部32；所述基体上部31，按质量比，包括以下组分：40-100μm粒度的金刚石细颗粒0-25％、1-5μm粒度的碳化钨粉末40-90％、钴粉末10-35％；所述基体下部32，按质量比，包括以下组分：300-600μm粒度的金刚石粗颗粒12-20％、1-5μmμm粒度的碳化钨粉末20-40％、0.5-10μm粒度的钴镍粉末20-50％、其他合金粉末3-20％。基体上部31和基体下部32由各组分原料烧结而成，烧结完成后在1200-1500℃温度下合金化基体3，同时保证基体3内的金刚石颗粒不被石墨化。基体3包括上下两层，基体上部31金刚石颗粒细，有利于基体3与金刚石聚晶层1结合；基体下部32为基体3的主要部分，金刚石颗粒粗，使用高等级金刚石，耐磨性高，当金刚石聚晶层失效时，基体3内金刚石继续磨削岩层，延长了聚晶金刚石复合片的寿命。
所述基体上部31，按质量比，包括以下组分：1-5μm粒度的碳化钨粉末65-90％、0.5-10μm粒度的钴粉末10-35％；所述基体下部，按质量比，包括以下组分：300-600μm粒度的金刚石粗颗粒12-20％、1-5μm粒度的碳化钨粉末20-40％、0.5-10μm粒度的钴、镍粉末20-50％、其他合金粉末3-20％。所述其他合金粉末为40-50μm粒度的碳化硅粉末或碳化钛粉末。
所述基体上部31厚度为0.2-2mm，所述基体下部32厚度为2-25mm。基体上部31薄，有利于基体3与金刚石聚晶层1结合；基体下部32厚，是基体3的主要部分，具有可焊接性和对金刚石聚晶层的支撑性，并在前端金刚石聚晶层失效时继续保持对岩层的切削作用。
所述金刚石聚晶层1是将金刚石预制粉置于所述基体上3，经高温1300-1550℃、高压5.5-6.5GPa合成3-30分钟烧结而成。所述金刚石预制粉粒度为1-40μm，所述金刚石预制粉包括金刚石颗粒和结合剂，所述结合剂为金属结合剂，由钴或其他金属粉末制成。
实施例1：
(1)基体3制作：按质量比300μm粒度的金刚石粗颗粒12％、1μm粒度的碳化钨粉末60％、0.5μm粒度的钴镍粉末25％、40μm粒度的碳化硅粉末3％混均匀烧结而成基体3，烧结完成后1200℃温度下合金化基体3，同时保证金刚石不被石墨化。
(2)用制作好的基体3与粒度为40μm金刚石预制粉在1300℃、5.5GPa下合成聚晶金刚石复合片，所得的聚晶金刚石复合片在复杂岩层中的寿命延长约20％。
实施例2：
(1)基体3制作：按质量比40μm粒度的金刚石细颗粒10％、600μm粒度的金刚石粗颗粒20％、5μm粒度的碳化钨粉末30％、10μm粒度的钴镍粉末30％、50μm粒度的碳化硅粉末10％混均匀合成30分钟烧结而成基体3，烧结完成后1500℃温度下合金化基体3，同时保证金刚石不被石墨化。
(2)用制作好的基体3与粒度为1μm金刚石预制粉在1550℃、6.5GPa下合成聚晶金刚石复合片，所得的聚晶金刚石复合片在复杂岩层中的寿命延长约30％。
实施例3：
(1)基体3制作：按质量比100μm粒度的金刚石细颗粒5％、450μm粒度的金刚石粗颗粒15％、2.5μm粒度的碳化钨粉末45％、8μm粒度的钴镍粉末30％、碳化硅粉末5％混均匀烧结而成基体3，烧结完成后1300℃温度下合金化基体3，同时保证金刚石不被石墨化。
(2)用制作好的基体3与粒度为1μm金刚石预制粉在1400℃、6.0GPa下合成聚晶金刚石复合片，所得的聚晶金刚石复合片在复杂岩层中的寿命延长约20％。
表1为实施例1-3基体中各组分含量。
表1实施例1-3基体中各组分含量
| 金刚石细颗粒 | 金刚石粗颗粒 | 碳化钨 | 钴镍粉末 | 其他合金粉末 | |
| 实施例1 | 0 | 12％ | 60％ | 25％ | 3％ |
| 实施例2 | 10％ | 20％ | 30％ | 30％ | 10％ |
| 实施例3 | 5％ | 15％ | 45％ | 30％ | 5％ |
实施例4：
(1)基体3制作：按质量比2μm粒度的碳化钨粉末65％、5μm粒度的钴粉末35％烧结而成厚度为0.2mm的基体上部31；按质量比500μm粒度的金刚石粗颗粒12％、2μm粒度的碳化钨粉末40％、4μm粒度的钴镍粉末40％、45μm粒度的碳化硅粉末8％烧结而成厚度为2mm的基体下部32；然后将烧结完成的基体上部31和基体下部32在1200℃下合成5分钟合金化基体3，同时保证金刚石不被石墨化。
(2)用制作好的基体3与粒度为10μm金刚石预制粉在1500℃、6.1GPa下合成3分钟合成聚晶金刚石复合片，所得的聚晶金刚石复合片在复杂岩层中的寿命延长约20％。
实施例5：
(1)基体3制作：按质量比40μm粒度的金刚石细颗粒10％、1μm粒度的碳化钨粉末80％、0.5μm钴粉末10％烧结而成厚度为2mm的基体上部31；按质量比600μm粒度的金刚石粗颗粒20％、1μm粒度的碳化钨粉末20％、2μm粒度的钴镍粉末50％、40μm粒度的碳化钛粉末10％烧结而成厚度为25mm的基体下部32；然后将烧结完成的基体上部31和基体下部32在1400℃下合金化基体3，同时保证金刚石不被石墨化。
(2)用制作好的基体3与粒度为40μm金刚石预制粉在1300℃、5.5GPa下合成30分钟合成聚晶金刚石复合片，所得的聚晶金刚石复合片在复杂岩层中的寿命延长约30％。
实施例6：
(1)基体3制作：按质量比100μm粒度的金刚石细颗粒10％、5μm粒度的碳化钨粉末65％、10μm粒度的钴粉末10％烧结而成厚度为1mm的基体上部31；按质量比300μm粒度的金刚石粗颗粒15％、5μm粒度的碳化钨粉末30％、10μm粒度的钴镍粉末35％、42μm粒度的碳化硅粉末20％烧结而成厚度为15mm的基体下部32；然后将烧结完成的基体上部31和基体下部32在1500℃下合成5分钟合金化基体3，同时保证金刚石不被石墨化。
(2)用制作好的基体3与粒度为1μm金刚石预制粉在1550℃、6.5GPa下合成15分钟合成聚晶金刚石复合片，所得的聚晶金刚石复合片在复杂岩层中的寿命延长约30％。
表2为实施例4-6基体中各组分含量。
表2实施例4-6基体中各组分含量
Claims (8)
1.一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述聚晶金刚石复合片由金刚石聚晶层和基体组成；所述基体由是金刚石颗粒与合金粉末烧结而成；所述金刚石颗粒的质量百分比含量为10-30％，所述合金粉末的质量百分比含量为70-90％；所述合金粉末的主要组成为碳化钨、钴、镍。
2.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述金刚石颗粒由金刚石粗颗粒与金刚石细颗粒组成；所述基体按质量比，包括以下组分：
40-100μm粒度的金刚石细颗粒：0-10％
300-600μm粒度的金刚石粗颗粒：10-20％
1-5μm粒度的碳化钨粉末：30-60％
0.5-10μm粒度的钴、镍粉末：10-50％
其他合金粉末：3-10％。
3.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述基体由基体上部与基体下部组成；所述基体上靠近金刚石聚晶层的部分为基体上部，远离金刚石聚晶层的部分为基体下部；
所述基体上部，按质量比，包括以下组分：
40-100μm粒度的金刚石细颗粒：0-25％
1-5μm粒度的碳化钨粉末：40-90％
0.5-10μm粒度的钴粉末：10-35％；
所述基体下部，按质量比，包括以下组分：
300-600μm粒度的金刚石粗颗粒：12-20％
1-5μm粒度的碳化钨粉末：20-40％
0.5-10μm粒度的钴、镍粉末：20-50％
其他合金粉末：3-20％。
4.根据权利要求3所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述基体上部，按质量比，包括以下组分：
1-5μm粒度的碳化钨粉末：65-90％
0.5-10μm粒度的钴粉末：10-35％；
所述基体下部，按质量比，包括以下组分：
300-600μm粒度的金刚石粗颗粒：12-20％
1-5μm粒度的碳化钨粉末：20-40％
0.5-10μm粒度的钴、镍粉末：20-50％
其他合金粉末：3-20％。
5.根据权利要求3所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述基体上部厚度为0.2-2mm，所述基体下部厚度为2-25mm。
6.根据权利要求2-4任一项所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述其他合金粉末为碳化硅粉末或碳化钛粉末。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述金刚石聚晶层是将金刚石预制粉置于所述基体上，经高温1300-1550℃、高压5.5-6.5GPa，合成3-30分钟烧结而成。
8.根据权利要求7所述的一种聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述金刚石预制粉粒度为1-40μm。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |