CN109604613A - 采用Co-MOF制备聚晶金刚石锯齿的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种采用Co‑MOF制备聚晶金刚石锯齿的方法,将Co‑MOF粉末与金刚石微粉按一定配比充分混合后,待混合充分后将混合料放置于高熔点的合成块中,在高温高压下烧结成型,即可制得聚晶金刚石锯齿。本发明的有益效果主要体现在:同体积的原子级Co粉与金刚石颗粒间的有效接触面积远远大于微米级Co粉与金刚石颗粒间的有效接触面积,能更好地催化金刚石颗粒间形成D‑D键,形成了较致密的D‑D键,增加了D‑D键的数量,从而提升可整个PDC的性能,本发明缩短了聚晶金刚石锯齿的合成时间,大大降低了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及石油和页岩气钻探工业领域,具体而言,尤其涉及一种钻探用聚晶金刚石复合片的制备方法。
背景技术
钻头行业在石油和天然气的应用中具有很强的竞争性,钻头制造商和钻井运营商正在不断寻找各种方法来降低成本、延长聚晶金刚石锯齿(简称为PDC锯齿)的使用寿命和充分利用更多的资源。这主要是因为制造一个PDC钻头,PDC锯齿将占据很大一部分费用。一般来讲,PDC锯齿通常被安装在钻头上使用,其由PDC锯齿制造商直接提供给钻头制造商。
最初,PDC钻头只能被用于软页岩地层中,原因是硬的夹层会损坏钻头,但由于新技术的出现以及结构的变化,PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层,因此PDC钻头正越来越多地为人们所选用,特别是随着PDC锯齿质量的不断提高,这种情况越发凸显。
PDC锯齿一般是由优质的金刚石微粉与硬质合金(WC-Co)基体在超高温高压下烧结而成,其中,当烧结温度达到1300℃以上,作为粘结剂的Co元素开始融化进入并进入金刚石微粉空隙中,使促进形成金刚石-金刚石(D-D)键,并残留在复合片的金刚石层。但是,目前国内外普遍使用的微米级Co粉,微米级Co粉粒度大,相同含量的微米级Co粉利用现有混料方案难以在聚晶金刚石层中均匀分散,容易造成复合片的内部缺陷和应力集中现象,同时粘结剂Co的热膨胀系数与金刚石相差很大【Co:1.46*10-7/K;金刚石:(1.5~4.8)*10-6/K】,相差整整一个数量级,在受热过程中,常会在金刚石层中颗粒界面或金刚石层与WC-Co层界面产生热应力或微裂纹,使PDC机械性能下降。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足,提供一种采用Co-MOF制备聚晶金刚石锯齿的方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:
一种采用Co-MOF制备聚晶金刚石锯齿的方法,包括如下步骤:
S1、预混步骤,按照比例称取Co-MOF、金刚石粉末放入三维混料机进行预混,混料机转速:90〒10r/min,混料时间为:5~24h;
S2、初步粉碎步骤,将步骤1中得到的混合粉剂,放入球磨机内进行粉碎,过程中料与小球的重量比为1:1~1:5,使得粉料充分混合并粉碎,然后加入无水乙醇,料和小球与无水乙醇体积比为1:3~1:5,球磨机参数为公转:100~160r/min,自转:80~100r/min,球磨时间为:5~24h;
S3、烘干步骤,将经过步骤S2粉碎后的原料在真空干燥箱50~70℃条件下烘12~36h,得到干燥的混合料;
S4、组装步骤,将步骤S3中得到的干燥的混合粉料装入铌杯中,压平,在粉末上面放入经无水乙醇洗净的硬质合金,在硬质合金上端盖上铌杯,压实,组合成一个复合件;
S5、二次粉碎步骤,将铌杯置于合成组装块中,并放入至六面顶压机内,所述组装块至少包含有发热导电元件,传压介质、保温元件,升温至500℃,压力4~4.5GPa,保温2min;
S6、烧结合成步骤,继续升温,在温度1400~2000℃,压力5~10GPa的条件下合成时间5~20min,形成最终产品。
优选的,步骤S1中所述Co-MOF和金刚石粉末的质量比为1:1.5~1:10。
本发明的有益效果主要体现在:
1、提高了其抗冲击能力,由原来的40~60J提升至70J~130J;
2、提高了对金刚石颗粒的把持能力,提高了其耐磨性能,其磨耗比由200万~500万提升至了500~1250万;
3、减小了Co和金刚石之间的热膨胀系数差过大对复合片热稳定性造成的影响,即增加了锯齿的热稳定性,其热处理后,其耐磨性由原来的100~200万提升至200~500万。
4、缩短了聚晶金刚石锯齿的合成时间,大大降低了能耗。
具体实施方式
本发明将Co-MOF作为Co来源来制备聚晶金刚石锯齿,其原理是因为现有的作为烧结催化物的Co粉在目前的单纯的球磨机粉碎过程中,仅仅能形成微米级Co粉,微米级Co粉粒度大,相同含量的微米级Co粉利用现有混料方案难以在聚晶金刚石层中均匀分散,容易造成复合片的内部缺陷和应力集中现象。而本发明采用纳米级并用表面活性剂(如聚乙烯吡咯烷酮,可提高Co-MOF的分散性)修饰的Co-MOF作为前驱体,在保证Co含量不变的前提下,利用在烧结过程中高温高压状态下分解为原子级Co来实现Co的分散和流动性,原子级Co的粒度小,比表面积大,可以间接缩短金刚石之间间距,增加金刚石之间接触面积;同时,同体积的原子级Co粉与金刚石颗粒间的有效接触面积远远大于现有的微米级Co粉与金刚石颗粒间的有效接触面积,能更好地催化金刚石颗粒间形成D-D键,形成了较致密的D-D键,增加了D-D键的数量,从而提升整个聚晶金刚石锯齿的机械性能。
本发明的重要原料Co-MOF的制备过程如下:
称取0.4366g的Co(NO3)2〃6H20、0.16613g的对苯二甲酸(BDC),溶解在10ml的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中,然后放入聚四氟乙烯的高压釜中在120℃烘箱中,反应24h,然后自然冷却,取出,依次用DMF、乙醇、去离子水离心清洗,得到纳米级Co-MOF,最后将晶体分散在1.0~2.5wt%的聚乙烯吡咯烷酮(提高Co-MOF的分散性)水溶液中,在漩涡振荡仪上剧烈振荡24h,之后将晶体离心,用去离子水清洗3次,最后在100℃烘箱里烘干备用。当然,Co-MOF的制备方法还有很多种,如果中国专利CN105669773B中揭示的其他方法。本发明对于Co-MOF的制备来源不作过多的限制。
下面通过具体实施例来解释本发明的具体制备方法。
实施例1
(1)混料:称取0.1773g的Co-MOF和1.8227g的金刚石粉末,粒径大小为5~20um的放入三维混料机进行预混,混料机转速:90〒10r/min,混料时间为:10h,干混结束后,进行湿混,过程中料与小球的重量比:1:1,然后加入一定量无水乙醇,料和小球与无水乙醇体积比为1:3,球磨机参数为公转:160r/min,自转:100r/min,球磨时间为:8h,湿混结束后,将混合料进行烘干处理,一般在真空干燥箱50~70℃条件下烘24h。
(2)组装:将无水乙醇清洗的硬质合金与混合料进行组装,先将混合粉料装入铌杯中,压平,在粉末上面放入硬质合金,在硬质合金上端盖上铌杯,压实,组合成一个复合件。
(3)烧结:将混合料与硬质合金的复合组件置于合成组装块中,组装块中包含有:发热导电元件,传压介质、保温元件等组件,在六面顶压机升温至500℃,压力4GPa,保温2min,继续升温至温度1450℃,压力5.5GPa,合成时间15min。
所得的聚晶金刚石复合片通过性能测试满足以下指标:通过花岗岩车削,所得磨耗比为:1243万,在750℃焙烧4min,其磨耗比为980万:抗冲击性能为90J。
实施例2
(1)混料:称取0.3546g的Co-MOF和1.6454g的金刚石粉末,粒径大小为20~60um的放入三维混料机进行预混,混料机转速:90〒10r/min,混料时间为:12h,干混结束后,进行湿混,过程中料与小球的重量比:1:3,然后加入一定量无水乙醇,料和小球与无水乙醇体积比为1:4,球磨机参数为公转:160r/min,自转:100r/min,球磨时间为:10h,湿混结束后,将混合料进行烘干处理,一般在真空干燥箱50~70℃条件下烘24h。
(2)组装:将无水乙醇清洗的硬质合金与混合料进行组装,先将混合粉料装入铌杯中,压平,在粉末上面放入硬质合金,在硬质合金上端盖上铌杯,压实,组合成一个复合件。
(3)烧结:将混合料与硬质合金的复合组件置于合成组装块中,组装块中包含有:发热导电元件,传压介质、保温元件等组件,在六面顶压机升温至500℃,压力4.2GPa,保温2min,继续升温至温度1600℃,压力6.5GPa,合成时间10min。
所得的聚晶金刚石复合片通过性能测试满足以下指标:通过花岗岩车削,所得磨耗比为:1030万,在750℃焙烧4min,其磨耗比为758万:抗冲击性能为110J。
实施例3
(1)混料:称取0.7092g的Co-MOF和1.2908g的金刚石粉末,粒径大小为60~80um的放入三维混料机进行预混,混料机转速:90〒10r/min,混料时间为:12h,干混结束后,进行湿混,过程中料与小球的重量比:1:5,然后加入一定量无水乙醇,料和小球与无水乙醇体积比为1:5,球磨机参数为公转:160r/min,自转:100r/min,球磨时间为:12h,湿混结束后,将混合料进行烘干处理,一般在真空干燥箱50~70℃条件下烘24h。
(2)组装:将无水乙醇清洗的硬质合金与混合料进行组装,先将混合粉料装入铌杯中,压平,在粉末上面放入硬质合金,在硬质合金上端盖上铌杯,压实,组合成一个复合件。
(3)烧结:将混合料与硬质合金的复合组件置于合成组装块中,组装块中包含有:发热导电元件,传压介质、保温元件等组件,在六面顶压机升温至500℃,压力4.5GPa,保温2min,继续升温至温度1650℃,压力8GPa,合成时间20min。
所得的聚晶金刚石复合片通过性能测试满足以下指标:通过花岗岩车削,所得磨耗比为:746万,在750℃焙烧4min,其磨耗比为546万:抗冲击性能为80J。
本发明采用的Co-MOF粉末在高温高压下不断分解成原子级Co融化并不断溶解石墨,随即向金刚石输送碳并析出金刚石,使得金刚石颗粒不断长大并连接起来,形成具金刚石-金刚石直接键合(D-D键)的牢固烧结体。另外原子级Co粒度小,比表面积大,缩短金刚石之间间距,增加金刚石之间接触面积,同时,同体积的原子级Co粉与金刚石颗粒间的有效接触面积远远大于微米级Co粉与金刚石颗粒间的有效接触面积,能更好地催化金刚石颗粒间形成D-D键,形成了较致密的D-D键,增加了D-D键的数量,从而提升可整个PDC的性能。
PDC的性能有如下提升:1、提高了其抗冲击能力;2、提高了复合片对金刚石颗粒的把持能力,提高了其耐磨性能;3、减小了Co和金刚石之间的热膨胀系数差过大对复合片热稳定性造成的影响,即增加了复合片的热稳定性。
应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施方式中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种采用Co-MOF制备聚晶金刚石锯齿的方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、预混步骤,按照比例称取Co-MOF、金刚石粉末放入三维混料机进行预混,混料机转速:90±10r/min,混料时间为:5~24h;
S2、初步粉碎步骤,将步骤1中得到的混合粉剂,放入球磨机内进行粉碎,过程中料与小球的重量比为1:1~1:5,使得粉料充分混合并粉碎,然后加入无水乙醇,料和小球与无水乙醇体积比为1:3~1:5,球磨机参数为公转:100~160r/min, 自转:80~100r/min,球磨时间为:5~24h;
S3、烘干步骤,将经过步骤S2粉碎后的原料在真空干燥箱50~70℃条件下烘12~36h,得到干燥的混合料;
S4、组装步骤,将步骤S3中得到的干燥的混合粉料装入铌杯中,压平,在粉末上面放入经无水乙醇洗净的硬质合金,在硬质合金上端盖上铌杯,压实,组合成一个复合件;
S5、二次粉碎步骤,将铌杯置于合成组装块中,并放入至六面顶压机内,所述组装块至少包含有发热导电元件,传压介质、保温元件,升温至500℃,压力4~4.5GPa,保温2min;
S6、烧结合成步骤,继续升温,在温度1400~2000℃,压力5~10GPa的条件下合成时间5~20min,形成最终产品。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤S1中所述Co-MOF和金刚石粉末的质量比为1:1.5~1:10。
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