CN111720062A - 一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片 - Google Patents
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Abstract
一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体及固定于硬质合金基体上的聚晶金刚石层，聚晶金刚石层的端面包括2个或2个以上的切面，每相邻两个切面之间相交形成一条凸脊，聚晶金刚石层的底部外缘部位设有若干个与凸脊的径向边缘相对应的凸出，凸出沿硬质合金基体方向延伸，硬质合金基体对应设有若干与凸出相适配的凹槽。本发明在聚晶金刚石层的底部外缘部位设有若干个与凸脊的径向边缘相对应的凸出，而硬质合金基体对应设有若干凹槽。采用凸出与凹槽相互配合的方式，不仅可在兼顾成本情况下，有效增加了聚晶金刚石层工作部位的寿命，而且还可提高聚晶金刚石层的抗冲击韧性。
Description
技术领域
本发明涉及超硬材料技术领域，具体地说是指一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片。
背景技术
聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact， PDC，下面称PDC）是由聚晶金刚石层(PCD-polycristalline diamond，下面称PCD)和硬质合金(tungstencarbide-cobalt)基体在高温高压下烧结而成。它既有金刚石的硬度和耐磨性又有硬质合金的强度和抗冲击韧性，是一种卓越的切削工具与耐磨工具材料。
目前，钻采业钻头用PDC切削元件一般采用平面PCD层和球头形、锥形头等异形PCD层，但是随着钻井深度加深，对钻井工具的效率、耐磨性、抗冲击韧性以及热稳定性等性能提出更高要求。申请公布号为CN 109681125A的中国发明专利公开了一种内凹凸脊形金刚石复合片，包括硬质合金基体和设置在硬质合金基体上端的金刚石复合层，所述的金刚石复合层端面设置有2-6条由径向边缘向端面中部延伸的凸脊，所述的凸脊向上凸起，每条凸脊整条或部分从径向边缘向下倾斜延伸交汇于端面中部，构成内凹的凸脊，在凸脊与径向边缘的交汇处形成正前角切削刃。
该发明虽然可提高了复合片的破碎钻进性能，降低了钻进切削阻力，进而提高金刚石钻头的机械钻速。然而，由于该发明的金刚石复合层设置了凸脊，该金刚石复合片切削工作时容易发生磨损的部位在于凸脊对应的金刚石复合层，并且由径向边缘向内侧倾斜磨损，而由于该发明凸脊对应的金刚石复合层与硬质合金基体的结合面为平面，一旦金刚石复合层的径向边缘完全磨损，则必须更换金刚石复合片，因此，该发明的金刚石复合片使用寿命不高。故我们提供一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片。
发明内容
本发明提供一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，以解决现有凸脊型金刚石复合片的使用寿命不高等缺点。
本发明采用如下技术方案：
一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体及固定于所述硬质合金基体上的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的端面包括2个或2个以上的切面，每相邻两个切面之间相交形成一条凸脊，所述聚晶金刚石层的底部外缘部位设有若干个与所述凸脊的径向边缘相对应的凸出，所述凸出沿所述硬质合金基体方向延伸，所述硬质合金基体对应设有若干与所述凸出相适配的凹槽。
进一步地，所述凸出在纵向上的高度大于0.1mm。
优选地，所述凸出的形状为弧形或类半球状。
进一步地，所述凸出在纵向上的高度由聚晶金刚石层的径向外侧向中部呈逐渐减小。
一种优选地实施方案，所述聚晶金刚石层的端面由两个切面组成，该两个切面之间相交形成一条经过聚晶金刚石层的端面中心的凸脊。
进一步地，所述凸脊的中部向下凹形成一个平台，该平台与两端的凸脊之间以一定弧度过渡连接。
另一种优选地实施方案，所述聚晶金刚石层的端面由三个切面和一个三角形平面组成，所述三角形平面设于聚晶金刚石层的端面中部，每相邻两个切面之间由一个凸脊过渡连接，每个切面与三角形平面之间也由一个凸脊过渡连接。
进一步地，所述切面是弧形面，或者是呈一定角度的斜面，或者是弧形面与切面相结合。
进一步地，所述切面为弧形面时，弧形面的半径为1-100mm；所述切面为斜面时，斜面与水平端面的夹角为1°-89°。
进一步地，所述凸脊的顶端呈尖端角、平面或者弧面。
由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明在聚晶金刚石层的底部外缘部位设有若干个与凸脊的径向边缘相对应的凸出，而硬质合金基体对应设有若干凹槽。采用凸出与凹槽相互配合的方式，不仅可在兼顾成本情况下，有效增加了聚晶金刚石层工作部位的寿命，而且还可提高聚晶金刚石层的抗冲击韧性。
2、本发明的凸脊型聚晶金刚石复合片，在工作中可明显改进破岩效率，提高排屑能力，降低钻进阻力，从而提高钻头的机械钻速。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为本发明实施例一的分解示意图。
图3为本发明实施例一的俯视图。
图4为图3中A-A方向的剖视图。
图5为本发明实施例二的结构示意图。
图6为本发明实施例二的分解示意图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。对于公知的组件、方法及过程，以下不再详细描述。
实施一
一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，参照图1和图2，包括硬质合金基体10及固定于硬质合金基体10上的聚晶金刚石层20，本实施例的PDC直径为15.88mm，总高度为13.20mm,其中，聚晶金刚石层20的制作工艺采用合成结合激光加工工艺。本实施例的聚晶金刚石层20的端面由两个对称的切面21以一定夹角构成的屋脊型曲面结构，两个切面21在顶端相交形成一条凸脊22，该凸脊22由聚晶金刚石层端面一侧的径向边缘向另一侧的径向边缘延伸，并且经过端面的中心。
参照图1和图2，本实施例示出的两个切面21是弧形面，当然也可以是呈一定角度的斜面，或者是弧形面与切面相结合。该弧形面的半径，弧长半径R均为12mm。两个切面21的径向边缘与聚晶金刚石层的侧面之间形成倒角，倒角为0.41mm。两个弧形面间的过度面采用0.50mm的圆角过度，即本实施例凸脊22的顶端为0.50mm的圆角，当然，本发明凸脊22顶端的形状不局限于此，其还可以是尖端角、平面或其它上凸的弧面等。
参照图1至图3，上述凸脊22的中部向下凹形成一个平台23，平台23下凹的深度为0.30mm，可提高PDC的排屑能力。该平台23与两端的凸脊22之间以一定弧度过渡连接，平台23两端的凸脊22即为2个可用的切削工作部位。凸脊工作部位的厚度达到4.50mm。
参照图2和图4，上述聚晶金刚石层20的底部外缘部位设有两个与两端的凸脊的径向边缘相对应的凸出24，凸出24沿所述硬质合金基体10方向延伸，凸出24的高度约1.50mm，本实施例凸出24的形状为类半球状，当然还可以为弧形。该凸出24在纵向上的高度由聚晶金刚石层的径向外侧向中部呈逐渐减小。硬质合金基体10对应设有两个与凸出相适配的凹槽11。
图4为本发明沿着凸脊线的剖面图，AB为聚晶层厚度，BC为聚晶向下凸出的厚度，∠ACD为产品工作角度，AE为磨损到B位置时的缺口投影，AD为磨损到位置C时的缺口投影。
结合AB、BC以及∠ACD的设计可以得出AD=（AB+BC）*tan∠ACD，CD连线为磨损到位置C时的磨面投影；
硬质合金基体以C或C往下的点作为起点，同时以D或D往右的点作为终点，以两点连线做一段或多段外接弧线为合金界面中凹槽的设计；
出于抗冲击韧性考虑，CD长度不超过硬质合金本体厚度的三分之一。
由以上设计凹槽，可避免在工作中磨损硬质合金基体而影响寿命。
该凸脊型聚晶金刚石复合片与同尺寸的平面型聚晶金刚石复合片进行实验室试验。试验结果表明，该凸脊型聚晶金刚石复合片的切削阻力远小于对比样品，且工作部位可磨削的量更多，即产品使用寿命更长。单个位置测试对比之下凸脊型产品的耐磨性提升约50%，抗冲击性能提升约300%，使用寿命提升约200%。
实施例二
参照图5和图6，本实施例的聚晶金刚石复合片也包括硬质合金基体10及固定于硬质合金基体上的聚晶金刚石层20，聚晶金刚石复合片的直径为15.88mm，总高度为13.20mm。本实施例的聚晶金刚石层20的端面由三个切面21和一个三角形平面22组成，其中，三个切面21均为斜面结构，三个斜面与端面的角度为10°，三角形平面22是边长为8mm的正三角形。
参照图5，每相邻两个切面21之间由一个凸脊211过渡连接，凸脊211顶端为2.00mm的圆角；每个切面21与三角形平面22之间也由一个凸脊211过渡连接，该凸脊211顶端也为2.00mm的圆角。当然，本发明凸脊211顶端的形状不局限于此，其还可以是尖端角、平面或其它上凸的弧形等。其中，每相邻两个切面21形成的三条凸脊211才是本发明可用的切削工作部位，该三条凸脊211的工作部位厚度达到4.50mm。
参照图5和图6，上述聚晶金刚石层20的底部外缘部位设有三个与三条可用切削工作部位的凸脊211径向边缘相对应的凸出23，凸出23沿所述硬质合金基体10方向延伸，凸出的高度约1.50mm。本实施例凸出的形状为类半球状，当然还可以为弧形。该凸出23在纵向上的高度由聚晶金刚石层的径向外侧向中部呈逐渐减小。上述硬质合金基体10对应设有三个与凸出相适配的凹槽11。
该凸脊型聚晶金刚石复合片与同尺寸的平面型聚晶金刚石复合片进行实验室试验。试验结果表明，该凸脊型聚晶金刚石复合片的切削阻力远小于对比样品，且工作部位可磨削的量更多，即产品使用寿命更长。单个位置测试对比之下凸脊型产品的耐磨性提升约50%，抗冲击性能提升约300%，使用寿命提升约300%。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体及固定于所述硬质合金基体上的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的端面包括2个或2个以上的切面，每相邻两个切面之间相交形成一条凸脊，其特征在于：所述聚晶金刚石层的底部外缘部位设有若干个与所述凸脊的径向边缘相对应的凸出，所述凸出沿所述硬质合金基体方向延伸，所述硬质合金基体对应设有若干与所述凸出相适配的凹槽。
2.如权利要求1所述的一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，其特征在于： 所述凸出在纵向上的高度大于0.1mm。
3.如权利要求1所述的一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述凸出的形状为弧形或类半球状。
4.如权利要求1所述的一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述凸出在纵向上的高度由聚晶金刚石层的径向外侧向中部呈逐渐减小。
5.如权利要求1所述的一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述聚晶金刚石层的端面由两个切面组成，该两个切面之间相交形成一条经过聚晶金刚石层的端面中心的凸脊。
6.如权利要求5所述的一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述凸脊的中部向下凹形成一个平台，该平台与两端的凸脊之间以一定弧度过渡连接。
7.如权利要求1所述的一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述聚晶金刚石层的端面由三个切面和一个三角形平面组成，所述三角形平面设于聚晶金刚石层的端面中部，每相邻两个切面之间由一个凸脊过渡连接，每个切面与三角形平面之间也由一个凸脊过渡连接。
8.如权利要求1所述的一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述切面是弧形面，或者是呈一定角度的斜面，或者是弧形面与切面相结合。
9.如权利要求8所述的一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述切面为弧形面时，弧形面的半径为1-100mm；所述切面为斜面时，斜面与水平端面的夹角为1°-89°。
10.如权利要求1所述的一种高寿命的凸脊型聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述凸脊的顶端呈尖端角、平面或者弧面。
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