CN111364920A - 阶梯型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头 - Google Patents
阶梯型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111364920A CN111364920A CN202010118646.5A CN202010118646A CN111364920A CN 111364920 A CN111364920 A CN 111364920A CN 202010118646 A CN202010118646 A CN 202010118646A CN 111364920 A CN111364920 A CN 111364920A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- line
- polycrystalline diamond
- diamond compact
- stepped
- diamond layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 144
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 144
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 19
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 4
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 24
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 5
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 7
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 5
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 4
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- OSGAYBCDTDRGGQ-UHFFFAOYSA-L calcium sulfate Chemical compound [Ca+2].[O-]S([O-])(=O)=O OSGAYBCDTDRGGQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/42—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits
- E21B10/43—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits characterised by the arrangement of teeth or other cutting elements
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
- E21B10/54—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of the rotary drag type, e.g. fork-type bits
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
本申请公开一种阶梯型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头，该复合片包括：沿轴向延伸的硬质合金基座，基座在轴向的一端具有第一表面，第一表面不是平面；固定在基座第一表面上的聚晶金刚石层，聚晶金刚石层具有与第一表面相配合的第二表面，第二表面不是平面；聚晶金刚石层具有远离第二表面的第三表面；第三表面上具有脊线，聚晶金刚石层沿脊线延伸；在脊线所在且与轴向平行的平面内，第一表面沿脊线所在方向具有第一端和第二端，第一端至第二端呈上升或下降的趋势，第一表面两端点的连线与基座外轮廓的夹角不等于90°。该复合片具有更好的冲击韧性、耐磨性、导热性、热稳定性和更长的使用寿命，有利于复合片内残余应力的管理和弱化。
Description
技术领域
本申请涉及钻探设备技术领域，尤其涉及一种阶梯型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头。
背景技术
本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
聚晶金刚石复合片(PDC)是由聚晶金刚石层与硬质合金基体在高温高压下烧结成的复合材料。由于它既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，同时又兼具硬质合金的强度与抗冲击韧性，故PDC是制造切削刀具、钻井钻头及其他耐磨工具的理想材料，在石油钻探、地质勘探和机械加工等领域中获得了广泛的应用。
常规PDC的金刚石层为平面状且厚度在其延伸方向上一致。当PDC边缘刮削岩石时，金刚石层边缘所受的旋转冲击和向下的压力，其分力正好沿金刚石平面方向，全部作用在金刚石层上，容易造成金刚石层的崩缺，特别是遇到破碎岩层，钻头抖动等情况，PDC的金刚石层由于结构关系极易从边缘沿平面崩缺，造成PDC较早失效，使PDC的寿命大幅下降。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本申请的目的之一是提供一种阶梯型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头，该复合片具有更好的冲击韧性、耐磨性、导热性、热稳定性和更长的使用寿命，有利于复合片内残余应力的管理和弱化。
为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：
一种阶梯型聚晶金刚石复合片，包括：
沿轴向延伸的硬质合金基座，所述基座在轴向的一端具有第一表面，所述第一表面不是平面；
固定在所述基座第一表面上的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层具有与所述第一表面相配合的第二表面，所述第二表面不是平面；所述聚晶金刚石层具有远离所述第二表面的第三表面；所述第三表面上具有脊线，所述聚晶金刚石层沿所述脊线延伸；所述脊线延伸方向与所述轴向垂直；在垂直于所述脊线延伸方向且与所述轴向平行的平面内，所述第三表面包括第一线条、第二线条和第三线条，所述第二线条用于连接所述第一线条和第三线条；所述第二线条具有中点，所述脊线由所述中点组成；所述第一表面沿所述脊线延伸方向具有第一端和第二端，所述第一端至所述第二端呈上升或下降的趋势，所述第一端和第二端的连线与所述基座外轮廓的夹角不等于90°，所述脊线两端点的连线与所述基座外轮廓的夹角等于90°
作为一种优选的实施方式，所述第一表面上设有多个凸起和/或凹陷，所述凸起和/或凹陷的起伏趋势与所述第三表面的起伏趋势相同；所述第一表面第一端至所述第二端呈下降的趋势，所述第一端的凸起和/或凹陷具有更小的波峰波谷差，所述第二端的凸起和/或凹陷具有更大的波峰波谷差。
作为一种优选的实施方式，所述第一线条为弧线或直线，所述第二线条为弧线或直线，所述第三线条为弧线或直线；所述脊线为直线或弧线。
作为一种优选的实施方式，所述第一线条和第三线条为直线，所述第二线条为直线，所述第一线条、第二线条和第三线条共线。
作为一种优选的实施方式，所述第一线条和第三线条为直线，所述第二线条为弧线；所述第一线条两端点的连线与所述第三线条两端点的连线的夹角范围为89°-179°。
作为一种优选的实施方式，所述第一线条和第三线条为弧线，所述第一线条和所述第三线条的曲率在0.1mm-1以下；所述第二线条为弧线或直线；所述第一线条两端点的连线与所述第三线条两端点的连线的夹角范围为89°-179°。
作为一种优选的实施方式，所述基座由单晶碳化钨粉末与第一粘结剂烧结而成，所述第一粘结剂为金属，所述第一粘结剂的含量为5-15％；所述聚晶金刚石层包括金刚石颗粒和第二粘结剂，所述第二粘结剂为金属及其碳化物或者非金属。
作为一种优选的实施方式，所述第二表面的最低点至所述第三表面的最高点沿所述轴向的距离是2mm-10mm；所述聚晶金刚石层的外边缘具有倒角，所述倒角包括单倒角、双倒角、多重倒角中的一种或多种。
一种设有阶梯型聚晶金刚石复合片的钻头，所述钻头包括如上任一实施方式所述的阶梯型聚晶金刚石复合片。
作为一种优选的实施方式，所述钻头具有沿周向均匀分布的多个刀翼，所述刀翼上设有前排齿和后排齿，所述前排齿和/或后排齿包括所述阶梯型聚晶金刚石复合片，所述前排齿的齿尖点位于所述钻头的冠部曲线上；所述第一表面第一端至所述第二端呈下降的趋势，所述第二端位于所述冠部曲线上；所述阶梯型聚晶金刚石复合片沿所述轴向的轮廓与所述冠部曲线的切线与所述脊线垂直。
有益效果：
本申请实施方式所提供的阶梯型聚晶金刚石复合片，由于基座第一表面的第一端至第二端呈上升或下降的趋势，且第一端和第二端的连线与所述基座外轮廓的夹角不等于90°，使聚晶金刚石层具有最厚的一端和最薄的一端，第一表面呈阶梯型变化。当使用聚晶金刚石层最厚的一端与地层相互作用时，由于聚晶金刚石层厚度的提高，复合片将表现出更好的冲击韧性，有助于装有该复合片的钻头钻进非均质地层和硬地层。
同时，由于聚晶金刚石层厚度的提高，复合片将表现出更好的耐磨性和使用寿命，将延迟基座和聚晶金刚石层的结合面与地层的直接作用，避免了聚晶金刚石层的剥落。由于聚晶金刚石层厚度的提高，复合片还将表现出更好的导热性和热稳定性。
现有技术中，聚晶金刚石层在切削岩石时，并不与地层呈正交关系，因此聚晶金刚石层的内部会产生不均匀的应力，使得聚晶金刚石层易发生损坏。而本申请提供的阶梯型聚晶金刚石复合片由于聚晶金刚石层厚度呈阶梯变化，有利于复合片内残余应力的管理和弱化。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施方式中所提供的一种阶梯型聚晶金刚石复合片在垂直于所述脊线且与所述轴向平行的平面内的结构示意图；
图2为图1所示复合片的左视图；
图3为实施例②提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图4为实施例③提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图5为实施例④提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图6为实施例⑤提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图7为实施例⑥提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图8为实施例⑦提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图9为实施例⑧提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图10为实施例⑨提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图11为实施例⑩提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图12为实施例
提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图13为实施例
提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图14为实施例
提供的一种弧形聚晶金刚石复合片的结构示意图；
图15为图3至图8的左视图；
图16为图9、图10、图12、图13的左视图；
图17为图11、图14的左视图；图15至图17中的第一表面为了简便均用平面代替，实际第一表面和第二表面为非平面；
图18为本申请实施方式提供的一种聚晶金刚石层的微观结构示意图；
图19为本申请实施方式提供的一种设有阶梯型聚晶金刚石复合片的钻头的结构示意图；
图20为本申请实施方式提供的一种前排齿或后排齿沿其轴向的俯视图，该俯视图平面与所述轴向垂直。
附图标记说明：
1、聚晶金刚石层；11、第一线条；12、第二线条；13、第三线条；14、脊线；15、第一端；16、第二端；2、基座；3、金刚石颗粒；4、第二粘结剂；5、前排齿；6、后排齿；101、钻头中轴线；102、冠部曲线；103、复合片沿所述轴向的轮廓。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
为了便于说明，本说明书中将聚晶金刚石复合片前进方向的前方定义为“前”，将聚晶金刚石复合片前进方向的后方定义为“后”。将聚晶金刚石复合片远离工作表面且与工作表面垂直的方向定义为“上”，将聚晶金刚石复合片靠近工作表面且与工作表面垂直的方向定义为“下”。
为了便于说明，本说明书中将阶梯型聚晶金刚石复合片的第一线条11所在一侧定义为“左”，将第三线条13所在一侧定义为“右”；将聚晶金刚石层1所在一侧定义为“上”，将基座2所在一侧定义为“下”。
请参阅图1至图17。本申请实施方式提供一种阶梯型聚晶金刚石复合片，其包括基座2和聚晶金刚石层1。
其中，所述基座2沿轴向延伸，由硬质合金制成。所述基座2在轴向的一端具有第一表面。所述第一表面不是平面。所述聚晶金刚石层1固定在所述基座2的第一表面上。所述聚晶金刚石层1具有与所述第一表面相配合的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相接触。所述第二表面不是平面。所述聚晶金刚石层1具有远离所述第二表面的第三表面。所述第三表面上具有脊线14，所述聚晶金刚石层1沿所述脊线14延伸。所述脊线14的延伸方向与所述轴向垂直。需要说明的是，本申请所述“脊线的延伸方向”是指脊线14整体的延伸方向，例如在读者面对图2、图15至图17时，脊线14的延伸方向为从左至右或从右至左的方向，虽然脊线14有向上或向下的趋势，但其整体是从左至右或从右至左的，与上下方向的轴向垂直。
在垂直于所述脊线14的延伸方向且与所述轴向平行的平面内，也即在所述复合片沿轴向且垂直于脊线14延伸方向的截面内，所述第三表面包括第一线条11、第二线条12和第三线条13。所述第二线条12用于连接所述第一线条11和第三线条13。所述第二线条12具有中点，即位于第二线条12中间位置的点。所述脊线14由所述中点组成。所述第一表面沿所述脊线14延伸方向具有第一端15和第二端16。所述第一端15至所述第二端16呈上升或下降的趋势。所述第一端15和第二端16的连线与所述基座2外轮廓的夹角不等于90°。所述脊线14两端点的连线与所述基座2外轮廓的夹角等于90°。
本申请实施方式所提供的阶梯型聚晶金刚石复合片，由于基座2第一表面的第一端15至第二端16呈上升或下降的趋势，且第一端15和第二端16的连线与所述基座2外轮廓的夹角不等于90°，使聚晶金刚石层1具有最厚的一端和最薄的一端，第一表面呈阶梯型变化。当使用聚晶金刚石层1最厚的一端与地层相互作用时，由于聚晶金刚石层1厚度的提高，复合片将表现出更好的冲击韧性，有助于装有该复合片的钻头钻进非均质地层和硬地层。
同时，由于聚晶金刚石层1厚度的提高，复合片将表现出更好的耐磨性和使用寿命，将延迟基座2和聚晶金刚石层1的结合面与地层的直接作用，避免了聚晶金刚石层1的剥落。由于聚晶金刚石层1厚度的提高，复合片还将表现出更好的导热性和热稳定性。
现有技术中，聚晶金刚石层1在切削岩石时，并不与地层呈正交关系，因此聚晶金刚石层1的内部会产生不均匀的应力，使得聚晶金刚石层1易发生损坏。而本申请提供的阶梯型聚晶金刚石复合片由于聚晶金刚石层1厚度呈阶梯型变化，有利于复合片内残余应力的管理和弱化。
在本申请实施方式中，所述第一表面上设有多个凸起和/或凹陷，所述凸起和/或凹陷的起伏趋势与所述第三表面的起伏趋势相同，以减轻聚晶金刚石层1与基座2之间的残余应力，增强聚晶金刚石层1与基座2之间的结合强度。例如，当第三表面向上凸起时，第一表面上的多个凸起和/或凹陷中，位于中间位置的高度较高，位于两边位置的高度较低；当第三表面向下凹进时，第一表面上的多个凸起和/或凹陷中，位于中间位置的高度较低，位于两边位置的高度较高。
为了便于说明，在本申请实施方式中，所述第一表面第一端15至所述第二端16呈下降的趋势，所述第一端15的凸起和/或凹陷具有更小的波峰波谷差，所述第二端16的凸起和/或凹陷具有更大的波峰波谷差。此处的波峰是指凸起和/或凹陷在轴向上的最高点，波谷是指凸起和/或凹陷在轴向上的最低点。这种实施方式与现有技术中波峰波谷的高度变化很小构成区别，且有利于第一表面和第二表面的残余应力管理，增强聚晶金刚石层1和基座2之间的结合力，提高复合片的综合性能。
本申请实施方式对所述第一线条11、第三线条13在垂直于轴向的方向上的长度不做限制。优选的，第一线条11和第三线条13在垂直于轴向的方向上的长度相等，第二线条12位于复合片的中部。所述第一线条11为弧线或直线。所述第二线条12为弧线或直线。所述第三线条13为弧线或直线。所述脊线14为直线或弧线。
在本申请实施方式中，所述脊线14可以是直线，也可以是弧线。优选的，所述脊线14为弧线。该弧线可以外凸(即远离第二表面)或内凹(即靠近第二表面)。采用外凸脊线14的复合片，将具有更好的耐用性和抗冲击性能。采用內凹脊线14的复合片，将具有更强的攻击性，能够实现更快的机械钻速。
脊线14采用外凸或者内凹的弧线，更加有利于复合片切削岩石所产生的岩屑的流动和排除，且有利于钻井液的流动，易于使复合片实现清岩和冷却，从而提高复合片的使用寿命和机械钻速，减少泥包的产生。
在本申请的一种实施方式中，所述第一线条11和第三线条13为直线，所述第二线条12为直线。所述第一线条11、第二线条12和第三线条13共线，或者，所述第一线条11两端点的连线与所述第三线条13两端点的连线的夹角范围为89°-179°。
在本申请的另一种实施方式中，所述第一线条11和第三线条13为直线，所述第二线条12为弧线。所述第一线条11两端点的连线与所述第三线条13两端点的连线的夹角范围为89°-179°。
在本申请的又一种实施方式中，所述第一线条11和第三线条13为弧线，所述第一线条11和所述第三线条13的曲率在0.1mm-1以下。所述第二线条12为弧线或直线；所述第一线条11两端点的连线与所述第三线条13两端点的连线的夹角范围为89°-179°。通过将聚晶金刚石层1第三表面的第一线条11与第三线条13设计为弧线，并利用第二线条12连接第一线条11和第三线条13，可以根据需要选择增强复合片的抗冲击性能和/或攻击性。
当第一线条11、第三线条13或脊线14向远离所述第二表面的方向凸出时，复合片将具有更好的耐用性和抗冲击性能。当第一线条11、第三线条13或脊线14向靠近所述第二表面的方向凹进时，复合片将具有更强的攻击性，能够实现更快的机械钻速。可以根据需要设计第一线条11、第三线条13、脊线14的形状，以增强复合片的抗冲击性能和/或攻击性。
根据脊线14、第一线条11、第二线条12、第三线条13不同形状的选择，本申请具有多种实施例，为了更清楚地说明本申请提供的复合片，以下给出其中几种实施例。需要说明的是，实际并不限于以下几个实施例。假设复合片的直径是16mm。
①第一线条11、第二线条12和第三线条13为直线，且三者共线；脊线14为直线。如图1和图2所示。
例如，第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°，聚晶金刚石层1在第一端15的厚度为1.3mm，在第二端16的厚度为3mm。
②第一线条11和第三线条13为直线，第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为89°-179°，第二线条12为向上凸起的弧线，曲率在0.05mm-1以上；脊线14为直线。如图3和图15所示。
例如，第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；第二线条12的曲率为0.5mm-1；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于84°。
③第一线条11和第三线条13为向下凹进的弧线，第二线条12为向上凸起的弧线，脊线14为直线。如图4和图15所示。
例如，第一线条11和第三线条13的曲率为0.05mm-1；第二线条12的曲率为0.5mm-1；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
④第一线条11和第三线条13为向下凹进的弧线，第二线条12为直线，脊线14为直线。如图5和图15所示。
例如，第一线条11和第三线条13的曲率为0.05mm-1；第二线条12的长度为2.5mm；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
⑤第一线条11和第三线条13为向上凸起的弧线，第二线条12为向上凸起的弧线，脊线14为直线。如图6和图15所示。
例如，第一线条11和第三线条13的曲率为1/15mm-1；第二线条12的曲率为0.5mm-1；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
⑥第一线条11为向下凹进的弧线，第三线条13为向上凸起的弧线，第二线条12为向上凸起的弧线；脊线14为直线。如图7和图15所示。
例如，第一线条11和第三线条13的曲率为1/15mm-1；第二线条12的曲率为0.5mm-1；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
⑦第一线条11和第三线条13为向上凸起的弧线，第二线条12为直线，脊线14为直线。如图8和图15所示。
例如，第一线条11和第三线条13的曲率为0.05mm-1；第二线条12的长度为2mm；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
⑧第一线条11和第三线条13为向上凸起的弧线，第二线条12为向上凸起的弧线，脊线14为向上凸起的弧线。如图9和图16所示。
例如，第一线条11和第三线条13的曲率为1/15mm-1；第二线条12的曲率为0.5mm-1；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；脊线14的曲率为1/15mm-1；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
⑨第一线条11和第三线条13为下凹进的弧线，第二线条12为直线，脊线14为向上凸起的弧线。如图10和图16所示。
例如，第一线条11和第三线条13的曲率为1/15mm-1；第二线条12的长度为2.5mm；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；脊线14的曲率为0.05mm-1；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
⑩第一线条11和第三线条13为上凸出的弧线，第二线条12为直线，脊线14为向下凹进的弧线。如图11和图17所示。
例如，第一线条11和第三线条13的曲率为1/15mm-1；第二线条12的长度为3mm；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；脊线14的曲率为1/15mm-1；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
例如，第二线条12在最高处的长度为1mm；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；脊线14的曲率为0.05mm-1；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
例如，第二线条12的曲率为0.5mm-1；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；脊线14的曲率为0.05mm-1；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
例如，第二线条12的曲率为0.5mm-1；第一线条11两端点的连线与第三线条13两端点的连线的夹角为130°；脊线14的曲率为0.05mm-1；第一表面两端点的连线与基座2外轮廓的夹角等于80°。
在本申请实施方式中，复合片以微米级、或亚微米级、或纳米级的金刚石微粉与硬质合金基座2为原料，在高温高压下(例如5.5GPa、1400℃，或8.5GPa、1800℃，或15GPa、2300℃)烧结而成。复合片在宏观上表现出各项同性，具有较高的硬度和一定的韧性，在某些方面的应用性能优于单晶金刚石。
所述基座2由单晶碳化钨粉末与第一粘结剂烧结而成，所述第一粘结剂为金属，所述第一粘结剂的含量为5-15％，该含量为重量占比。更具体的，该金属为第VIII族过渡金属，例如钴。
所述聚晶金刚石层1包括金刚石颗粒3和第二粘结剂4，所述第二粘结剂4为金属及其碳化物或者非金属。如图18所示，金刚石颗粒3以金刚石-金刚石键(D-D键)相结合，第二粘结剂4以孤岛形式存在。金刚石颗粒3可以使用单一颗粒尺寸，例如可以在直径为50nm-100nm，100nm-1um，1um-10um，10um-20um，20um-50um中任意选取一组尺寸的金刚石颗粒3作为本实施方式所要使用的金刚石颗粒3；也可以使用多峰颗粒尺寸，例如可以选取30％直径为50nm-100nm和70％直径为1um-10um的金刚石颗粒3，或者选取30％直径为0.2um-1um和70％直径为20um-50um的金刚石颗粒3，或者选取30％直径为20um-50um和70％直径为1um-10um的金刚石颗粒3，或者选取62％直径为1um-10um、18％直径为10um-20um和20％直径为20um-50um的金刚石颗粒3。其中百分比均指重量百分比。具体的，第二粘结剂4可以是第VIII族过渡金属及其碳化物，例如金属钴和金属钨以及钴和钨的碳化物；也可以是碳酸盐、硫酸盐等非金属粘结剂，例如碳酸钙、硫酸钙等。
在本申请实施方式中，所述第二表面的最低点至所述第三表面的最高点沿所述轴向的距离是2mm-10mm。也即聚晶金刚石层1沿上下方向的厚度为2mm-10mm。更优的，聚晶金刚石层1的厚度为2mm-5mm。所述聚晶金刚石层1的外边缘具有倒角。所述倒角包括单倒角、双倒角、多重倒角中的一种或多种。所述倒角可以是倒圆角或倒平面角。本申请实施方式对倒角的形式不做限制。具体的，本实施方式中的聚晶金刚石层1的所有尖锐边缘，都将使用单倒角、或者双倒角、或者多重倒角，以增加复合片的耐用性，防止过早掉片。
本申请另一实施方式中还提供一种设有阶梯型聚晶金刚石复合片的钻头。所述钻头包括如上任一实施方式所述的阶梯型聚晶金刚石复合片。该钻头能够实现阶梯型聚晶金刚石复合片所解决的技术问题，相应的达到阶梯型聚晶金刚石复合片能达到的技术效果，具体的本申请在此不再赘述。
如图19所示，在本申请实施方式中，所述钻头具有沿周向均匀分布的多个刀翼。当然，多个刀翼也可以沿钻头周向非均匀地分布，本申请实施方式对此不做限制。刀翼上可以均设置上述实施方式提供的阶梯型聚晶金刚石复合片；也可以设置部分齿为上述实施方式提供的阶梯型聚晶金刚石复合片，其余齿为常规的圆柱形聚晶金刚石复合片。
所述刀翼上可以设置单排齿，当然，也可以根据需要设置多排齿。优选的，如图19所示，所述刀翼上设有双排齿，为前排齿5和后排齿6。所述前排齿5和/或后排齿6包括所述阶梯型聚晶金刚石复合片。后排齿6和前排齿5可以是对齐分布，也可以是交错分布。
当然，可以选取单一形貌的复合片作为前排齿5和/或后排齿6，例如选取上述第①种复合片；也可以选取不同形貌的复合片作为前排齿5和/或后排齿6，例如选取上述第①种和第②种复合片。
在本申请实施方式中，所述前排齿5的所有齿尖点位于所述钻头的冠部曲线102上。后排齿6的所有齿尖点可以在冠部曲线102上，也可以与冠部曲线102具有预定距离，可以高于冠部曲线102，也可以低于冠部曲线102。该预定距离可以为0.1mm-5mm。其中，所述冠部曲线102绕钻头中轴线101旋转一周形成的曲面，能使每一个复合片都与之相切。
在本申请实施方式中，所述第一表面第一端15至所述第二端16呈下降的趋势，所述第二端16位于所述冠部曲线102上，即聚晶金刚石层1较厚的一端位于所述冠部曲线102上。如图20所示，所述阶梯型聚晶金刚石复合片沿所述轴向的轮廓103与所述冠部曲线102的切线与所述脊线14垂直，可以使脊线14正好在切削接触面的正中，从而提高钻头的切削效率。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (10)
1.一种阶梯型聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括：
沿轴向延伸的硬质合金基座，所述基座在轴向的一端具有第一表面，所述第一表面不是平面；
固定在所述基座第一表面上的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层具有与所述第一表面相配合的第二表面，所述第二表面不是平面；所述聚晶金刚石层具有远离所述第二表面的第三表面；所述第三表面上具有脊线，所述聚晶金刚石层沿所述脊线延伸；所述脊线延伸方向与所述轴向垂直；在垂直于所述脊线延伸方向且与所述轴向平行的平面内，所述第三表面包括第一线条、第二线条和第三线条，所述第二线条用于连接所述第一线条和第三线条；所述第二线条具有中点，所述脊线由所述中点组成；所述第一表面沿所述脊线延伸方向具有第一端和第二端，所述第一端至所述第二端呈上升或下降的趋势，所述第一端和第二端的连线与所述基座外轮廓的夹角不等于90°，所述脊线两端点的连线与所述基座外轮廓的夹角等于90°。
2.根据权利要求1所述的阶梯型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述第一表面上设有多个凸起和/或凹陷，所述凸起和/或凹陷的起伏趋势与所述第三表面的起伏趋势相同；所述第一表面第一端至所述第二端呈下降的趋势，所述第一端的凸起和/或凹陷具有更小的波峰波谷差，所述第二端的凸起和/或凹陷具有更大的波峰波谷差。
3.根据权利要求1所述的阶梯型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述第一线条为弧线或直线，所述第二线条为弧线或直线，所述第三线条为弧线或直线；所述脊线为直线或弧线。
4.根据权利要求1所述的阶梯型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述第一线条和第三线条为直线，所述第二线条为直线，所述第一线条、第二线条和第三线条共线。
5.根据权利要求1所述的阶梯型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述第一线条和第三线条为直线，所述第二线条为弧线；所述第一线条两端点的连线与所述第三线条两端点的连线的夹角范围为89°-179°。
6.根据权利要求1所述的阶梯型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述第一线条和第三线条为弧线，所述第一线条和所述第三线条的曲率在0.1mm-1以下；所述第二线条为弧线或直线；所述第一线条两端点的连线与所述第三线条两端点的连线的夹角范围为89°-179°。
7.根据权利要求1所述的阶梯型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述基座由单晶碳化钨粉末与第一粘结剂烧结而成，所述第一粘结剂为金属，所述第一粘结剂的含量为5-15％；所述聚晶金刚石层包括金刚石颗粒和第二粘结剂，所述第二粘结剂为金属及其碳化物或者非金属。
8.根据权利要求1所述的阶梯型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述第二表面的最低点至所述第三表面的最高点沿所述轴向的距离是2mm-10mm；所述聚晶金刚石层的外边缘具有倒角，所述倒角包括单倒角、双倒角、多重倒角中的一种或多种。
9.一种设有阶梯型聚晶金刚石复合片的钻头，其特征在于，所述钻头包括如权利要求1-8任一项所述的阶梯型聚晶金刚石复合片。
10.根据权利要求9所述的设有阶梯型聚晶金刚石复合片的钻头，其特征在于，所述钻头具有沿周向均匀分布的多个刀翼，所述刀翼上设有前排齿和后排齿，所述前排齿和/或后排齿包括所述阶梯型聚晶金刚石复合片，所述前排齿的齿尖点位于所述钻头的冠部曲线上；所述第一表面第一端至所述第二端呈下降的趋势，所述第二端位于所述冠部曲线上；所述阶梯型聚晶金刚石复合片沿所述轴向的轮廓与所述冠部曲线的切线与所述脊线垂直。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010118646.5A CN111364920A (zh) | 2020-02-26 | 2020-02-26 | 阶梯型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010118646.5A CN111364920A (zh) | 2020-02-26 | 2020-02-26 | 阶梯型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111364920A true CN111364920A (zh) | 2020-07-03 |
Family
ID=71208268
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010118646.5A Pending CN111364920A (zh) | 2020-02-26 | 2020-02-26 | 阶梯型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111364920A (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN86103437A (zh) * | 1986-05-24 | 1987-12-02 | 地质矿产部探矿工程研究所 | 金刚石复合片钻头的焊接方法 |
| CN1034157A (zh) * | 1988-11-27 | 1989-07-26 | 西安石油学院 | 聚晶金刚石复合片焊前处理方法 |
| US5711702A (en) * | 1996-08-27 | 1998-01-27 | Tempo Technology Corporation | Curve cutter with non-planar interface |
| CN202805794U (zh) * | 2012-06-13 | 2013-03-20 | 廊坊西波尔钻石技术有限公司 | 一种钎焊式pcd-cvd复合式钻探用金刚石复合片 |
| US8469121B2 (en) * | 2003-05-27 | 2013-06-25 | Baker Hughes Incorporated | Polycrystalline diamond abrasive elements |
| US20150259988A1 (en) * | 2014-03-11 | 2015-09-17 | Smith International, Inc. | Cutting elements having non-planar surfaces and downhole cutting tools using such cutting elements |
| CN205326393U (zh) * | 2016-01-18 | 2016-06-22 | 三河市晶日金刚石复合材料有限公司 | 一种新型界面生长型含硼金刚石复合片 |
| CN206987739U (zh) * | 2017-04-28 | 2018-02-09 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | 一种适于硬塑性地层的pdc钻头 |
| CN108474239A (zh) * | 2016-01-13 | 2018-08-31 | 斯伦贝谢技术有限公司 | 成角度的凿子插入件 |
-
2020
- 2020-02-26 CN CN202010118646.5A patent/CN111364920A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN86103437A (zh) * | 1986-05-24 | 1987-12-02 | 地质矿产部探矿工程研究所 | 金刚石复合片钻头的焊接方法 |
| CN1034157A (zh) * | 1988-11-27 | 1989-07-26 | 西安石油学院 | 聚晶金刚石复合片焊前处理方法 |
| US5711702A (en) * | 1996-08-27 | 1998-01-27 | Tempo Technology Corporation | Curve cutter with non-planar interface |
| US8469121B2 (en) * | 2003-05-27 | 2013-06-25 | Baker Hughes Incorporated | Polycrystalline diamond abrasive elements |
| CN202805794U (zh) * | 2012-06-13 | 2013-03-20 | 廊坊西波尔钻石技术有限公司 | 一种钎焊式pcd-cvd复合式钻探用金刚石复合片 |
| US20150259988A1 (en) * | 2014-03-11 | 2015-09-17 | Smith International, Inc. | Cutting elements having non-planar surfaces and downhole cutting tools using such cutting elements |
| CN108474239A (zh) * | 2016-01-13 | 2018-08-31 | 斯伦贝谢技术有限公司 | 成角度的凿子插入件 |
| CN205326393U (zh) * | 2016-01-18 | 2016-06-22 | 三河市晶日金刚石复合材料有限公司 | 一种新型界面生长型含硼金刚石复合片 |
| CN206987739U (zh) * | 2017-04-28 | 2018-02-09 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | 一种适于硬塑性地层的pdc钻头 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| USRE48524E1 (en) | Cutting elements having cutting edges with continuous varying radii and bits incorporating the same | |
| CN108884706B (zh) | 多脊切削元件 | |
| US7165636B2 (en) | Cutting element with canted interface surface and bit body incorporating the same | |
| US10458190B2 (en) | PDC cutter with depressed feature | |
| US11920408B2 (en) | Cutter with geometric cutting edges | |
| JP2005505426A (ja) | 研削工具インサートとその製造方法 | |
| CN111364919A (zh) | 弧形聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头 | |
| CN111364920A (zh) | 阶梯型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头 | |
| US20160168917A1 (en) | Cutting element with varied substrate length | |
| CN107448149A (zh) | 脊形切削齿 | |
| CN111364921A (zh) | 犁铧型聚晶金刚石复合片及设有该复合片的钻头 | |
| CN2726791Y (zh) | 一种金刚石复合片 | |
| WO2019136061A1 (en) | Cutting element with geometries to better maintain aggressiveness and related earth-boring tools and methods | |
| CN210738480U (zh) | 一种金刚石复合片及高风压潜孔钻头 | |
| WO2017095715A1 (en) | Diamond table on non-planar cutting elements | |
| CN112324345A (zh) | 一种具有辅助切削刃的金刚石复合片及钻头 | |
| CN217462038U (zh) | 一种凸脊型金刚石复合片 | |
| CN215718492U (zh) | 多刃聚晶金刚石复合片及其钻头 | |
| CN218882156U (zh) | 一种硬质合金基体及聚晶金刚石硬质合金复合片 | |
| CN217481202U (zh) | 一种抗冲击金刚石复合片 | |
| CN217439960U (zh) | 一种脊型聚晶金刚石复合片及钻具 | |
| CN213478227U (zh) | 金刚石复合片及钻头 | |
| CN2846707Y (zh) | 耐热型金刚石切削齿 | |
| CN211115801U (zh) | 一种四棱齿金刚石复合片 | |
| CN213928250U (zh) | 异型齿金刚石复合片和钻头 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200703 |