CN112276098A - 一种非均布预成型金刚石复合片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涉及金刚石复合片技术领域，尤其涉及一种非均布预成型金刚石复合片及其制备方法，该非均布预成型金刚石复合片包括硬质合金基体、聚晶金刚石层，所述硬质合金基体的上端面的边沿处设有至少两个围绕轴线分布的凹槽，所述聚晶金刚石层包括与所述硬质合金基体的上端面上下对应的第一区块和与各个凹槽一一上下对应的第二区块，所述聚晶金刚石层的下端面与所述连接面形状适配的连接，制备方法包括加工硬质合金计、制造聚晶金刚石层、制造结合体、机械加工、脱钴处理。本发明的产品同时具备了较高的耐磨性和抗冲击性能。

Description

一种非均布预成型金刚石复合片及其制备方法
技术领域
本发明涉及金刚石复合片技术领域，尤其涉及一种非均布预成型金刚石复合片及其制备方法。
背景技术
金刚石复合片因其优良的性能被应用于各类勘探、钻采领域，特别是在硬度较高、地质复杂、砾石较多的地层，能够表现出相较硬质合金钻头、金刚石孕镶钻头等传统产品明显的使用优势和性能特点。特别是在使用中，由于兼具抗冲击性和耐磨性，使用寿命能够达到传统产品的3～10倍，受到越来越广泛地关注和应用。
目前金刚石复合片其切削部为同样材质的原料制成，即由同样配比的粉料压制成，现有粉料的组分中包括细粒度金刚石微粉和金属结合剂，金刚石复合片主要可通过耐磨性和抗冲击性对产品性能进行表征，其中在均质坚硬地层中，需要产品具有较高的耐磨性能，以保证钻头在坚硬地层中的钻进速度；在非均质地层中，需要产品抗冲击性能较高，以满足在非均质地层中出现断续车削情况不至于破损失效。然而由于产品在配方及生产工艺上受限，难以在同一种产品中兼顾耐磨性和抗冲击性，以至于目前大多数钻头厂商只能根据钻头不同部位来匹配相应的复合片，即使如此，也很难保证不同复合片完全适应其工作功能。
在实际钻探过程中，往往会出现非均质地层与均质坚硬地层交替分布的现象，如果没有一种能够兼顾抗冲击性能和耐磨性能的产品，钻机将被迫在每次切换地层是更换钻头，大大降低工作效率，增加使用成本，因此开发、制备新的金刚石复合片具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种非均布预成型金刚石复合片，其具有高耐磨、高抗冲击性能，生产效率高、生产成本低等优点，特别适用于高硬地层、多砾石地层和复杂地层的勘探与采掘，从而解决现有产品不能兼备耐磨性能和抗冲击性能的问题。同时，本发明还提供了制备上述非均布预成型金刚石复合片的方法。
本发明的一种非均布预成型金刚石复合片采用如下技术方案：
一种非均布预成型金刚石复合片，包括圆柱状的、轴线沿上下方向延伸的硬质合金基体以及设置在所述硬质合金基体上端的聚晶金刚石层，所述硬质合金基体的上端面的边沿处设有至少两个围绕轴线分布的凹槽，各个凹槽的外沿均向下倾斜，从而各个凹槽的槽面与所述硬质合金基体的上端面共同构成用于固定连接所述聚晶金刚石层的连接面，所述聚晶金刚石层包括与所述硬质合金基体的上端面上下对应的第一区块和与各个凹槽一一上下对应的第二区块，所述聚晶金刚石层的下端面与所述连接面形状适配的连接。
压制形成所述第一区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为5-10wt％、金属结合剂含量为10-20wt％，压制成各个第二区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为15-25wt％、金属结合剂含量为1-5wt％。
各个凹槽均为内凹的曲面结构，并且所述曲面结构的外沿向下倾斜。
各个凹槽的曲率半径均相同且均为所述硬质合金基体直径的1-5倍。
所述聚晶金刚石层的上端面为垂直于所述硬质合金基体轴线的平面结构。
所述第一区块在上下方向上的厚度为1-2mm。
本发明的一种非均布预成型金刚石复合片的制备方法采用如下技术方案：
一种非均布预成型金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：
第一步，在硬质合金基体的上端面上加工凹槽；
第二步，将用于制造第一区块的粉料加入1-5wt％的有机胶粘材料后放入用于成型第一区块的模具中压制成型，得到第一区块；
第三步，将成型后的第一区块放入用于成型聚晶金刚石层的模具中，在第一区块与模具之间的间隙中加入用于制造第二区块的粉料，并干压成型后获得与硬质合金基体形状适配的聚晶金刚石层；
第四步，将带有凹槽的硬质合金基体以及聚晶金刚石层正确的放入金属杯中，然后将聚晶金刚石层、硬质合金基体和金属杯组合而成的组合体放入真空炉中进行高温脱胶处理；
第五步，处理后的组合体经盐管、碳管、叶腊石包裹，在高温高压下合成为一体的毛坯；
第六步，机械加工毛坯，对聚晶金刚石层磨削加工后形成半成品；
第七步，对半成品进行脱钴处理，得到非均布预成型金刚石复合片的成品。
所述第三步中，压制压力为10-35t。
所述第四步中，组合体完成组装后，需放入真空炉中在1.0～5.0E-3Pa的真空环境下，经300～500℃处理1-3h。
所述第七步中，脱钴处理时将半成品的聚晶金刚石层所在端插入模具，并使硬质合金基体裸露于模具外部，同时聚晶金刚石层紧邻硬质合金的部分也按照形状走向均匀暴露0.5-1mm，将模具与半成品一同在已加热软化的热塑性有机材料中浸入10-30s后取出，再将半成品从模具中取出，使其之前裸露于模具外部的部分被有机材料完全包裹，而后将半成品放入含有浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸等强酸的混合溶液中10-15天，取出后去除有机材料并洗净即为成品。
以上内容中，热塑性有机材料优选TPE或者TPR等，有机胶粘材料优选PVA等，金属结合剂优选镍镍等金属结合剂。
本发明的有益效果是：
1、本发明的聚晶金刚石层采用非均布结构，通过耐冲击的第一区块部分与耐磨的第二区块部分的组合，使产品同时具备了较高的耐磨性和抗冲击性能。
2、本发明在第二区块部分加大了聚晶金刚石层厚度，使产品的耐磨性得到进一步提高。由于第一区块基本不受磨削作用，所以加厚第二区块的同时，不会导致第一区块先于第二区块失效；同时，第二区块厚度的增加能够较大程度的避免聚晶金刚石层出现横向裂纹。
3、本发明将凹槽的槽面设计为曲面，从而第二区块与硬质合金基体之间以及第二区块与第一区块之间均为曲面接触，能够从结构上进一步提高复合片产品的抗冲击性能。
4、采用聚晶金刚石层预先成型技术，能够保证产品最终的聚晶金刚石层成分完全按照设计分布，特别是在压制过程中，采用不同成型方法分别对两部分进行压制，是保证聚晶金刚石层最终形貌的关键所在，加入有机胶粘材料能够保证第一区块压制后的形貌更加规则，能够起到在压制第二区块时作为部分模具的作用；压制第二区块时，使用干粉压制能够最大程度上提高两部分的结合强度，以及边缘部分自身的整体密度，在后续高温高压合成过程中，能够得到更好的耐磨性能。
5、由于聚晶金刚石层与硬质合金基体为非平面接触，使用传统方法无法对复合层进行脱钴处理，本发明使用有机材料加热后包裹硬质合金基体，并以适当模具控制包裹界线的的方法，能够对不同厚度的聚晶金刚石层进行脱钴处理，确保了聚晶金刚石层加厚部分性能的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明的非均布预成型金刚石复合片实施例1的硬质合金基体的结构示意图；
图2为本发明的非均布预成型金刚石复合片实施例1的主视图；
图3为图2对应的俯视图；
图4为图3中A-A方向的剖视图；
图5为实施例1制备方法中第七步的浸入热塑性有机材料的示意图；
图6为实施例1制备方法中第七步的浸入强酸混合溶液的示意图；
图中：1、聚晶金刚石层，11、第二区块，12、第一区块，2、硬质合金基体，21、凹槽，3、模具，4、桶，5、保护壳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种非均布预成型金刚石复合片的实施例1，如图1至图4所示，本发明的一种非均布预成型金刚石复合片的实施例，如图1至图4所示，一种非均布预成型金刚石复合片，包括圆柱状的、轴线沿上下方向延伸的硬质合金基体2以及设置在硬质合金基体2上端的聚晶金刚石层1，硬质合金基体2的上端面的边沿处设有三个围绕轴线分布的凹槽21，各个凹槽21的外沿均向下倾斜，从而各个凹槽21的槽面与硬质合金基体2的上端面共同构成用于固定连接聚晶金刚石层1的连接面，聚晶金刚石层1包括与硬质合金基体2的上端面上下对应的第一区块12和与各个凹槽21一一上下对应的第二区块11，聚晶金刚石层1的下端面与连接面形状适配的连接。
进一步的，压制形成第一区块12的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为5wt％、金属结合剂含量为10wt％，压制成各个第二区块11的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为15wt％、金属结合剂含量为1wt％。
进一步的，各个凹槽21均为内凹的曲面结构，并且曲面结构的外沿向下倾斜。
进一步的，各个凹槽21的曲率半径均相同且均为硬质合金基体2直径的5倍。
进一步的，聚晶金刚石层1的上端面为垂直于硬质合金基体2轴线的平面结构。
进一步的，第一区块12在上下方向上的厚度为2mm。
制造上述非均布预成型金刚石复合片的方法：
第一步，在硬质合金基体2的上端面上加工凹槽21；
第二步，将用于制造第一区块12的粉料加入1wt％的有机胶粘材料后放入用于成型第一区块12的模具3中压制成型，得到第一区块12；
第三步，将成型后的第一区块12放入用于成型聚晶金刚石层1的模具3中，在第一区块12与模具3之间的间隙中加入用于制造第二区块11的粉料，并干压成型后获得与硬质合金基体2形状适配的聚晶金刚石层1；
第四步，将带有凹槽21的硬质合金基体2以及聚晶金刚石层1正确的放入金属杯中，然后将聚晶金刚石层1、硬质合金基体2和金属杯组合而成的组合体放入真空炉中进行高温脱胶处理；
第五步，处理后的组合体经盐管、碳管、叶腊石包裹，在高温高压下合成为一体的毛坯；
第六步，机械加工毛坯，对聚晶金刚石层1磨削加工后形成半成品；
第七步，对半成品进行脱钴处理，得到非均布预成型金刚石复合片的成品。
具体的，第三步中，压制压力为10t。
具体的，第四步中，组合体完成组装后，需放入真空炉中在5.0(E-3Pa)的真空环境下，经350℃处理1h。
具体的，第七步中，如图5、图6所示，脱钴处理时将半成品的聚晶金刚石层1所在端插入模具3，并使硬质合金基体2裸露于模具3外部，同时聚晶金刚石层1紧邻硬质合金的部分也按照形状走向均匀暴露一部分，暴露部分数据处于0.5-1mm范围(包括端值)即可，将模具3与半成品一同在盛放已加热软化的热塑性有机材料的桶4中浸入10s后取出，再将半成品从模具3中取出，使其之前裸露于模具3外部的部分被有机材料完全包裹，从而形成保护壳5，而后将半成品放入含有浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸等强酸的混合溶液中10天，取出后去除有机材料并洗净即为成品。
热塑性有机材料为TPE或者TPR，有机胶粘材料为PVA胶，金属结合剂为镍镍金属结合剂。
本例制得一批金刚石复合片，随机抽取5粒对其进行性能检测，分别用磨耗比测定仪、抗冲击试验机来检测金刚石复合片的磨耗比和抗冲击韧性。并与目前传统组装工艺金刚石复合片在同等条件下对比，对比结果如下：
Figure BDA0002762498410000061
本发明的聚晶金刚石层1采用非均布结构，通过耐冲击的第一区块12部分与耐磨的第二区块11部分的组合，使产品同时具备了较高的耐磨性和抗冲击性能；本发明在第二区块11部分加大了聚晶金刚石层1厚度，使产品的耐磨性得到进一步提高。由于第一区块12基本不受磨削作用，所以加厚第二区块11的同时，不会导致第一区块12先于第二区块11失效；同时，第二区块11厚度的增加能够较大程度的避免聚晶金刚石层1出现横向裂纹；本发明将凹槽21的槽面设计为曲面，从而第二区块11与硬质合金基体2之间以及第二区块11与第一区块12之间均为曲面接触，能够从结构上进一步提高复合片产品的抗冲击性能。
本发明采用聚晶金刚石层1预先成型技术，能够保证产品最终的聚晶金刚石层1成分完全按照设计分布，特别是在压制过程中，采用不同成型方法分别对两部分进行压制，是保证聚晶金刚石层1最终形貌的关键所在，加入有机胶粘材料能够保证第一区块12压制后的形貌更加规则，能够起到在压制第二区块11时作为部分模具3的作用；压制第二区块11时，使用干粉压制能够最大程度上提高两部分的结合强度，以及边缘部分自身的整体密度，在后续高温高压合成过程中，能够得到更好的耐磨性能；由于聚晶金刚石层1与硬质合金基体2为非平面接触，使用传统方法无法对复合层进行脱钴处理，本发明使用有机材料加热后包裹硬质合金基体2，并以适当模具3控制包裹界线的的方法，能够对不同厚度的聚晶金刚石层1进行脱钴处理，确保了聚晶金刚石层1加厚部分性能的一致性。
本发明的一种非均布预成型金刚石复合片的实施例2，与实施例1不同的是，第一区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为10wt％、金属结合剂含量为10wt％；第二步中，将用于制造第一区块的粉料加入1.2wt％的有机胶粘材料后放入用于成型第一区块的模具中压制成型，得到第一区块；第三步中，压制压力为15t；第四步中，组合体完成组装后，需放入真空炉中在4.0(E-3Pa)的真空环境下，经300℃处理1.5h；第七步中，半成品放入含有浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸等强酸的混合溶液中12天。
本例制得一批金刚石复合片，随机抽取5粒对其进行性能检测，分别用磨耗比测定仪、抗冲击试验机来检测金刚石复合片的磨耗比和抗冲击韧性。并与目前传统组装工艺金刚石复合片在同等条件下对比，对比结果如下：
Figure BDA0002762498410000071
本发明的一种非均布预成型金刚石复合片的实施例3，与实施例1不同的是，第一区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为10wt％、金属结合剂含量为15wt％；第二区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为15wt％、金属结合剂含量为3wt％；第二步中，将用于制造第一区块的粉料加入5wt％的有机胶粘材料后放入用于成型第一区块的模具中压制成型，得到第一区块；第三步中，压制压力为20t；第四步中，组合体完成组装后，需放入真空炉中在2.5(E-3Pa)的真空环境下，经350℃处理1.5h；第七步中，半成品放入含有浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸等强酸的混合溶液中12天。
本例制得一批金刚石复合片，随机抽取5粒对其进行性能检测，分别用磨耗比测定仪、抗冲击试验机来检测金刚石复合片的磨耗比和抗冲击韧性。并与目前传统组装工艺金刚石复合片在同等条件下对比，对比结果如下：
Figure BDA0002762498410000081
本发明的一种非均布预成型金刚石复合片的实施例4，与实施例1不同的是，第一区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为10wt％、金属结合剂含量为20wt％；第二区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为20wt％、金属结合剂含量为3wt％；第二步中，将用于制造第一区块的粉料加入1.5wt％的有机胶粘材料后放入用于成型第一区块的模具中压制成型，得到第一区块；第三步中，压制压力为20t；第四步中，组合体完成组装后，需放入真空炉中在2.0(E-3Pa)的真空环境下，经500℃处理2h；第七步中，半成品放入含有浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸等强酸的混合溶液中15天。
本例制得一批金刚石复合片，随机抽取5粒对其进行性能检测，分别用磨耗比测定仪、抗冲击试验机来检测金刚石复合片的磨耗比和抗冲击韧性。并与目前传统组装工艺金刚石复合片在同等条件下对比，对比结果如下：
Figure BDA0002762498410000082
本发明的一种非均布预成型金刚石复合片的实施例5，与实施例1不同的是，第一区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为10wt％、金属结合剂含量为20wt％；第二区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为25wt％、金属结合剂含量为5wt％；第三步中，压制压力为30t；第四步中，组合体完成组装后，需放入真空炉中在1.0(E-3Pa)的真空环境下，经350℃处理3h；第七步中，半成品在盛放已加热软化的热塑性有机材料的桶中浸入30s后取出，半成品放入含有浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸等强酸的混合溶液中15天。
本例制得一批金刚石复合片，随机抽取5粒对其进行性能检测，分别用磨耗比测定仪、抗冲击试验机来检测金刚石复合片的磨耗比和抗冲击韧性。并与目前传统组装工艺金刚石复合片在同等条件下对比，对比结果如下：
Figure BDA0002762498410000091
在其他实施例中，根据产品实际参数要求，以下范围可根据需要选择合适数据：各个凹槽的曲率半径也可以为硬质合金基体2直径的1倍，或者1-5之中的任意一个倍数；压制形成第一区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量也可以为5-10wt％中的任意一个数值、金属结合剂含量为10-20wt％中的任意一个数值；压制成各个第二区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量也可以为15-25wt％中的任意一个数值、金属结合剂含量为1-5wt％中的任意一个数值；凹槽可以为两个，也可以为四个或者四个以上；第一区块在上下方向上的厚度也可以为1mm，也可以为1-2mm中的任意一个数值；第二步中，可以将用于制造第一区块的粉料加入1-5wt％的有机胶粘材料；第三步中，压制压力可以为10-35t；第四步中，真空炉的真空环境可以为1.0～5.0E-3Pa，经300～500℃处理1-3h；第七步中，半成品在热塑性有机材料中可浸入10-30s，在强酸混合溶液中浸泡10-15天。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非均布预成型金刚石复合片，包括圆柱状的、轴线沿上下方向延伸的硬质合金基体以及设置在所述硬质合金基体上端的聚晶金刚石层，其特征在于，所述硬质合金基体的上端面的边沿处设有至少两个围绕轴线分布的凹槽，各个凹槽的外沿均向下倾斜，从而各个凹槽的槽面与所述硬质合金基体的上端面共同构成用于固定连接所述聚晶金刚石层的连接面，所述聚晶金刚石层包括与所述硬质合金基体的上端面上下对应的第一区块和与各个凹槽一一上下对应的第二区块，所述聚晶金刚石层的下端面与所述连接面形状适配的连接。
2.根据权利要求1所述的一种非均布预成型金刚石复合片，其特征在于，压制形成所述第一区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为5-10wt％、金属结合剂含量为10-20wt％，压制成各个第二区块的粉料中，细粒度金刚石微粉含量为15-25wt％、金属结合剂含量为1-5wt％。
3.根据权利要求1或2所述的一种非均布预成型金刚石复合片，其特征在于，各个凹槽均为内凹的曲面结构，并且所述曲面结构的外沿向下倾斜。
4.根据权利要求3所述的一种非均布预成型金刚石复合片，其特征在于，各个凹槽的曲率半径均相同且均为所述硬质合金基体直径的1-5倍。
5.根据权利要求4所述的一种非均布预成型金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层的上端面为垂直于所述硬质合金基体轴线的平面结构。
6.根据权利要求5所述的一种非均布预成型金刚石复合片，其特征在于，所述第一区块在上下方向上的厚度为1-2mm。
7.一种非均布预成型金刚石复合片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在硬质合金基体的上端面上加工凹槽；
第二步，将用于制造第一区块的粉料加入1-5wt％的有机胶粘材料后放入用于成型第一区块的模具中压制成型，得到第一区块；
第三步，将成型后的第一区块放入用于成型聚晶金刚石层的模具中，在第一区块与模具之间的间隙中加入用于制造第二区块的粉料，并干压成型后获得与硬质合金基体形状适配的聚晶金刚石层；
第四步，将带有凹槽的硬质合金基体以及聚晶金刚石层正确的放入金属杯中，然后将聚晶金刚石层、硬质合金基体和金属杯组合而成的组合体放入真空炉中进行高温脱胶处理；
第五步，处理后的组合体经盐管、碳管、叶腊石包裹，在高温高压下合成为一体的毛坯；
第六步，机械加工毛坯，对聚晶金刚石层磨削加工后形成半成品；
第七步，对半成品进行脱钴处理，得到非均布预成型金刚石复合片的成品。
8.根据权利要求7所述的一种非均布预成型金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述第三步中，压制压力为10-35t。
9.根据权利要求8所述的一种非均布预成型金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述第四步中，组合体完成组装后，需放入真空炉中在1.0～5.0E-3Pa的真空环境下，经300～500℃处理1-3h。
10.根据权利要求9所述的一种非均布预成型金刚石复合片的制备方法，其特征在于，所述第七步中，脱钴处理时将半成品的聚晶金刚石层所在端插入模具，并使硬质合金基体裸露于模具外部，同时聚晶金刚石层紧邻硬质合金的部分也按照形状走向均匀暴露0.5-1mm，将模具与半成品一同在已加热软化的热塑性有机材料中浸入10-30s后取出，再将半成品从模具中取出，使其之前裸露于模具外部的部分被有机材料完全包裹，而后将半成品放入含有浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸等强酸的混合溶液中10-15天，取出后去除有机材料并洗净即为成品。
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