CN108145384A - 一种齿面金刚石复合片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种齿面金刚石复合片及其制造方法。本发明的齿面金刚石复合片包括硬质合金基体层和与基体层连接的聚晶金刚石层，聚晶金刚石层端面上设置有曲面沟槽结构，曲面沟槽包括设置在聚晶金刚石层端面上的若干个平行凸起的棱和棱间的沟槽。本发明将金刚石粉末与基体层一体化烧结成型，工艺操作简单，避免二次加工，大大节约了制造成本。本发明的金刚石复合片用作钻头时，金刚石层端面上的曲面沟槽结构为工作部位，其具有高耐磨性和高切削效率，抗冲击性能好、热稳定性好、使用寿命长，适应地层多等特点，本发明的齿面金刚石复合片做成的钻头，可以明显改进钻齿的破岩效率，提高钻头的钻进速度，降低钻探起钻频率，降低开采成本。
Description
技术领域
本发明属于超硬复合材料技术领域，具体涉及一种齿面金刚石复合片及其制造方法。
背景技术
聚晶金刚石复合片是一种将硬质合金基体和金刚石粉末在高温高压下烧结而成的超硬材料，具有高硬度、高耐磨的优异性能。主要使用在金刚石钻头上，现已广泛应用于地质钻探、石油、页岩气开采领域。聚晶金刚石复合片是金刚石钻头上的切削元件，因此其切削效率和耐磨性直接影响了金刚石钻头的钻进效率和进尺深度。
众所周知，地质钻探、石油、页岩气开采的成本高昂，提升金刚石钻头的钻进效率和进尺深度，即金刚石复合片的切削效率和耐磨性，对于降低开采成本有重大意义。既要保证金刚石复合片的耐磨性，又要提金刚石高复合片的切削效率是各大金刚石复合片厂家和金刚石钻头厂家关注的研发热点。
目前，金刚石复合片钻齿的金刚石端面大都是平面、球面或弧形面，用这些金刚石复合片做成钻头，在钻进初期由于钻齿的着力点小，钻头的钻进速度比较快。随着钻齿端面工作部位由平面、球面或圆弧面被磨损成平面，钻齿与岩石的接触面积也在加大，表现为钻头越来越钝，钻头的钻进速度变慢。因此，如何提供一种高耐磨、高切削效率的金刚石复合片及其制造工艺，以提高金刚石钻头的耐磨性和切削效率、降低开采成本，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术的上述不足，提供了一种齿面金刚石复合片及其制造方法，以提高金刚石钻头的耐磨性和切削效率、降低开采成本。为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种齿面金刚石复合片，包括硬质合金基体层和聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层连接在硬质合金基体层上；所述聚晶金刚石层端面上设置有曲面沟槽结构，曲面沟槽包括设置在聚晶金刚石层端面上的若干个平行凸起的棱和棱间的沟槽。
进一步地，所述硬质合金基体层为圆柱状，聚晶金刚石层底面直径与圆柱状的硬质合金基体层的直径相同。
进一步地，若干个平行凸起的棱呈几何对称的分布在聚晶金刚石层端面上。
进一步地，所述聚晶金刚石层端面边缘位置棱的高度不高于中间位置棱的高度。
进一步地，所述棱的横截面呈三角形、梯形、方形或圆弧形中任一种形状。
本发明还提供了一种上述的任一项的齿面金刚石复合片的制造方法，包括以下步骤：
1)将金刚石粉末装在金属杯中，将硬质合金基体放置在金刚石粉末上，然后将硬质合金基体、金刚石粉末和金属杯压实；所述金属杯底部设置有若干个朝外平行凸起的棱；
2)将压实的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成进行净化处理；
3)将净化处理后的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成用盐片和盐管包裹起来形成盐柱；
4)将包裹好的盐柱组装在合成复合片专用合成模中，整体构成一块合成块；
5)将合成块进行高温高压烧结，得到金刚石复合片毛坯；
6)将金刚石复合片毛坯加工成标准尺寸；
7)对加工后的金刚石复合片按照要求进行质量检测得到符合要求的成品。
进一步地，所述步骤2)中的净化处理的具体步骤为：将压实的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成放置在真空烧结炉中，在真空度值低于10-2Pa时，开始加热，温度升到600-900℃时保温45-120分钟；完成后降到室温，取出硬质合金基体、金刚石粉末和金属杯总成待用。
进一步地，步骤3)中形成盐柱的具体步骤为：
1)在靠近硬质合金基体层端放置圆柱状的盐片，在金刚石粉末和金属杯端放置带有若干个凹坑的盐片；所述带有若干个凹坑的盐片一端为平面，另一端为带有若干个凹坑的曲面，且若干个凹坑与金属杯的若干个凸起的棱相匹配；硬质合金基体、金刚石粉末、金属杯以及盐片，整体组成无间隙的圆柱形总成；
2)将硬质合金基体、金刚石粉末、金属杯以及盐片总成放置在盐管中。
进一步地，步骤5)中合成块是放置在六面顶人造金刚石液压机的压腔内进行高温高压烧结，烧结温度为1300-1700℃，压力为5-8GPa。
进一步地，金刚石复合片毛坯加工标准尺寸工序包括以下步骤：
(1)金刚石复合片毛坯进行外圆研磨，将金刚石复合片毛坯的外圆加工至标准尺寸；
(2)加工金刚石复合片毛坯的硬质合金基体层端面至标准尺寸；
(3)加工金刚石复合片毛坯的聚晶金刚石层端面至标准尺寸；
(4)倒角加工金刚石复合片毛坯的聚晶金刚石层和硬质合金基体层至标准尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将金刚石粉末与基体层一体化烧结成型，工艺操作简单，避免二次加工，大大节约了制造成本；本发明的金刚石复合片用作钻头时，聚晶金刚石层端面上的曲面沟槽结构成为工作部位，曲面沟槽的切岩能力和效果要远胜过现有无齿的金钢石复合片钻齿，因此，本发明的齿形金刚石复合片具有高耐磨性和高切削效率，同时抗冲击性能好、热稳定性能好、使用寿命长，适应地层多等特点，采用本发明的齿面金刚石复合片做成的钻头，可以明显改进钻齿的破岩效率，大大提高钻头的钻进速度，降低了钻探过程中的起钻频率，降低开采成本、提高开采效率。
附图说明
图1为实施例1中齿面金刚石复合片的立体结构示意图。
图2为实施例1中金刚石复合片盐片、盐管组装剖面示意图。
图3为实施例2中齿面金刚石复合片的立体结构示意图。
图4为实施例2中金刚石复合片盐片、盐管组装剖面示意图。
图中：1、硬质合金基体层，2、聚晶金刚石层，3、棱，4、沟槽，5、金属杯，6、盐管，7、第二盐片，8、第一盐片
具体实施方式
展示一下实例来具体说明本发明的某些实施例，且不应解释为限制本发明的范围。对本发明公开的内容可以同时从材料、方法和反应条件进行改进，所有这些改进，均应落入本发明的的精神和范围之内。
本发明提供的齿面金刚石复合片与常规的聚晶金刚石复合片不同之处在于，本发明的金刚石复合片在聚晶金刚石层端面上设置有由若干个平行凸起的棱和棱间的沟槽组成的曲面沟槽结构，在钻岩工作中，聚晶金刚石层端面上的曲面沟槽结构成为工作部位，曲面沟槽的切岩能力和效果要远胜过现有无齿的金刚石复合片钻齿。根据不同工况要求，可以在聚晶金刚石层端面上设计不同条数的棱，适应各种不同的钻岩要求。
实施例1
如图1所示为一种齿面金刚石复合片，包括圆柱体硬质合金基体层1和聚晶金刚石层2，聚晶金刚石层2连接在硬质合金基体层1上，且聚晶金刚石层底面直径与圆柱状的硬质合金基体层的直径相同。聚晶金刚石层端面21上设置有曲面沟槽结构，曲面沟槽包括设置在聚晶金刚石层端面21上的3个平行凸起的棱3和棱间的沟槽4，3个平行凸起的棱和棱间的沟槽呈几何对称的分布在金刚石层端面21上；在本实施例中3个平行凸起的棱均没有设置在聚晶金刚石层端面21的边缘位置，且聚晶金刚石层端面边缘位置棱的高度低于中间位置棱的高度从而便于排削，棱的横截面呈圆弧形。但是，本发明中棱3也可以根据不同的工况设置在聚晶金刚石层端面21的任何位置，且其个数还可以是2个、4个或其他的任意个数；棱的形状也不局限于圆弧形，针对不同的工况棱可以是三角形、梯形或其他形状。
图1中的齿面金刚石复合片的制造方法，包括以下步骤：
1.准备材料并压实
取粒度为20-30微米的金刚石粉末85份、粒度为2-4微米的金刚石粉末15份、硬质合金基体和金属杯；将两种粒度的金刚石粉末混合均匀，金属杯的材质一般为锆或者铌，金属杯底部设置有三个朝外平行凸起的棱。
将上述的金刚石粉末放置在金属杯中，然后用液压机将金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯压实。
2.净化处理
将压实的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成进行净化处理，具体方法为：将压实的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成放置在真空烧结炉中，在真空度值不高于10-2Pa的条件下，600-900℃保温45-120分钟，完成后降到室温，取出金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成待用。
3.形成盐柱
将步骤2中净化处理后的金刚石粉末、硬质合金基体、金属杯总成用盐片和盐管包裹起来形成一个盐柱。具体方法如图2所示，图2为带有三个平行的凸起的金刚石复合片盐片、盐管组装剖面示意图：
1)在靠近硬质合金基体层端放置圆柱状第一盐片8，在金刚石粉末和金属杯端放置带有3个凹坑的第二盐片7；第二盐片一端为平面，另一端为带有3个凹坑的曲面，且3个凹坑的位置与金属杯5的3个凸起的棱相匹配；硬质合金基体1、聚晶金刚石层2(即金刚石粉末层)、金属杯5、第一盐片8以及第二盐片7，整体组成无间隙的圆柱形总成。
2)将硬质合金基体1、聚晶金刚石层2、金属杯5以及盐片总成放置在盐管6中。
4.将包裹好的盐柱组装在合成复合片合成模中，整体构成一块合成块。
5.高温高压烧结
将步骤4中的合成块放置在六面顶人造金刚石液压机的压腔内进行高温高压烧结，烧结温度为1300-1700℃，压力为5-8GPa。
6.将金刚石复合片毛坯加工成标准尺寸
金刚石复合片毛坯加工标准尺寸工序包括以下步骤：
1)金刚石复合片毛坯进行外圆研磨，将金刚石复合片毛坯的外圆加工至标准尺寸；
2)加工金刚石复合片毛坯的硬质合金基体层端面至标准尺寸；
3)加工金刚石复合片毛坯的聚晶金刚石层端面至标准尺寸；
4)倒角加工金刚石复合片毛坯的聚晶金刚石层和硬质合金基体层至标准尺寸。
7.质量检测
对加工后的金刚石复合片按照要求进行质量检测得到符合要求的成品。
实施例2
如图3所示为一种齿面金刚石复合片，包括圆柱体硬质合金基体层1和聚晶金刚石层2，聚晶金刚石层2连接在硬质合金基体层1上，且聚晶金刚石层底面直径与圆柱状的硬质合金基体层的直径相同。聚晶金刚石层端面上设置有曲面沟槽结构，曲面沟槽包括设置在聚晶金刚石层端面21上的4个平行凸起的棱3和棱间的沟槽4，4个平行凸起的棱和棱间的沟槽呈几何对称的分布在聚晶金刚石层端面21上；在本实施例中4个平行凸起的棱均没有设置在金刚石层端面21的边缘位置，聚晶金刚石层端面边缘位置棱的高度低于中间位置棱的高度从而便于排削。在本实施例中，棱的横截面呈圆弧形。但是，本发明中棱的形状并不局限于圆弧形，可以针对不同的工况棱可以是三角形、梯形或其他形状，同时，凸起的棱3也可以设置在聚晶金刚石层端面21的任意位置。
图3中的齿面金刚石复合片的制造方法，包括以下步骤：
1.准备材料并压实
取粒度为20-30微米的金刚石粉末80份、粒度为2-4微米的金刚石粉末20份、硬质合金基体和金属杯；将两种粒度的金刚石粉末混合均匀，金属杯的材质一般为锆或者铌，金属杯底部设置有三个朝外平行凸起的棱。
将上述的金刚石粉末放置在金属杯中，然后用液压机将金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯压实。
2.净化处理
将压实的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成进行净化处理，具体方法为：将压实的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成放置在真空烧结炉中，在真空度值达到10- 2Pa及以下的条件下，600-900℃保温45-120分钟，完成后降到室温，取出金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成待用。
3.形成盐柱
将步骤2中净化处理后的金刚石粉末、硬质合金基体、金属杯总成用盐片和盐管包裹起来形成一个盐柱。具体方法如图2所示，图2为带有四个平行的凸起的金刚石复合片盐片、盐管组装剖面示意图：
1)在靠近硬质合金基体层端放置圆柱状第一盐片8，在金刚石粉末和金属杯端放置带有4个凹坑的第二盐片7；第二盐片一端为平面，另一端为带有4个凹坑的曲面，且4个凹坑的位置与金属杯5的4个凸起的棱相匹配；硬质合金基体1、聚晶金刚石层2(即金刚石粉末层)、金属杯5、第一盐片8以及第二盐片7，整体组成无间隙的圆柱形总成。
2)将硬质合金基体1、聚晶金刚石层2、金属杯5以及盐片总成放置在盐管6中。
4.将包裹好的盐柱组装在合成复合片的合成模中，整体构成一块合成块。
5.高温高压烧结
将步骤4中的合成块放置在六面顶人造金刚石液压机的压腔内进行高温高压烧结，烧结温度为1300-1700℃，压力为5-8GPa。
6.将金刚石复合片毛坯加工成标准尺寸
金刚石复合片毛坯加工标准尺寸工序包括以下步骤：
(1)金刚石复合片毛坯进行外圆研磨，将金刚石复合片毛坯的外圆加工至标准尺寸；
(2)加工金刚石复合片毛坯的硬质合金基体层端面至标准尺寸；
(3)加工金刚石复合片毛坯的聚晶金刚石层端面至标准尺寸；
(4)倒角加工金刚石复合片毛坯的聚晶金刚石层和硬质合金基体层至标准尺寸。
7.质量检测
对加工后的金刚石复合片按照要求进行质量检测得到符合要求的成品。
本发明将金刚石粉末与基体层一体化烧结成型，工艺操作简单，避免二次加工，大大节约了制造成本；本发明的金刚石复合片用作钻头时，聚晶金刚石层端面上的曲面沟槽结构成为工作部位，曲面沟槽的切岩能力和效果要远胜过现有无齿的金刚石复合片钻齿，因此，本发明的齿形金刚石复合片具有高耐磨性和高切削效率，同时抗冲击性能好、热稳定性能好、使用寿命长，适应地层多等特点，采用本发明的齿面金刚石复合片做成的钻头，可以明显改进钻齿的破岩效率，大大提高钻头的钻进速度，降低了钻探过程中的起钻频率，降低开采成本、提高开采效率。
应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种齿面金刚石复合片，其特征在于：包括硬质合金基体层(1)和聚晶金刚石层(2)，所述聚晶金刚石层(2)连接在硬质合金基体层(1)上；所述聚晶金刚石层端面(21)上设置有曲面沟槽结构，曲面沟槽包括设置在聚晶金刚石层端面(21)上的若干个平行凸起的棱(3)和棱间的沟槽(4)。
2.根据权利要求1所述的一种齿面金刚石复合片，其特征在于：所述硬质合金基体层(1)为圆柱状，聚晶金刚石层(2)底面直径与圆柱状的硬质合金基体层(1)的直径相同。
3.根据权利要求1所述的一种齿面金刚石复合片，其特征在于：若干个平行凸起的棱(3)呈几何对称的分布在聚晶金刚石层端面(21)上。
4.根据权利要求1所述的一种齿面金刚石复合片，其特征在于：所述聚晶金刚石层端面(21)边缘位置棱的高度不高于中间位置棱的高度。
5.根据权利要求1所述的一种齿面金刚石复合片，其特征在于：所述棱(3)的横截面呈三角形、梯形、方形或圆弧形中任一种形状。
6.一种如权利要求1-5中任一项的齿面金刚石复合片的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将金刚石粉末装在金属杯中，将硬质合金基体放置在金刚石粉末上，然后将硬质合金基体、金刚石粉末和金属杯压实；所述金属杯底部设置有若干个朝外平行凸起的棱；
2)将压实的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成进行净化处理；
3)将净化处理后的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成用盐片和盐管包裹起来形成盐柱；
4)将包裹好的盐柱组装在合成复合片专用合成模中，整体构成一块合成块；
5)将合成块进行高温高压烧结，得到金刚石复合片毛坯；
6)将金刚石复合片毛坯加工成标准尺寸；
7)对加工后的金刚石复合片按照要求进行质量检测得到符合要求的成品。
7.根据权利要求6所述的一种齿面金刚石复合片的制造方法，其特征在于：所述步骤2)中的净化处理的具体步骤为：将压实的金刚石粉末、硬质合金基体和金属杯总成放置在真空烧结炉中，在真空度值低于10-2Pa时，开始加热，温度升到600-900℃时保温45-120分钟；完成后降到室温，取出硬质合金基体、金刚石粉末和金属杯总成待用。
8.根据权利要求6所述的一种齿面金刚石复合片的制造方法，其特征在于：步骤3)中形成盐柱的具体步骤为：
1)在靠近硬质合金基体层端放置圆柱状的盐片，在金刚石粉末和金属杯端放置带有若干个凹坑的盐片；所述带有若干个凹坑的盐片一端为平面，另一端为带有若干个凹坑的曲面，且若干个凹坑与金属杯的若干个凸起的棱相匹配；硬质合金基体、金刚石粉末、金属杯以及盐片，整体组成无间隙的圆柱形总成；
2)将硬质合金基体、金刚石粉末、金属杯以及盐片总成放置在盐管中。
9.根据权利要求6所述的一种齿面金刚石复合片的制造方法，其特征在于：步骤5)中合成块是放置在六面顶人造金刚石液压机的压腔内进行高温高压烧结，烧结温度为1300-1700℃，压力为5-8GPa。
10.根据权利要求6所述的一种齿面金刚石复合片的制造方法，其特征在于：金刚石复合片毛坯加工标准尺寸工序包括以下步骤：
(1)金刚石复合片毛坯进行外圆研磨，将金刚石复合片毛坯的外圆加工至标准尺寸；
(2)加工金刚石复合片毛坯的硬质合金基体层端面至标准尺寸；
(3)加工金刚石复合片毛坯的聚晶金刚石层端面至标准尺寸；
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