CN200989166Y - 金刚石/硬质合金复合片 - Google Patents

Abstract

本实用新型金刚石/硬质合金复合片是由金刚石层(1)与硬质合金衬底(2)在超高压高温下烧结而成，适合于制作石油钻头上的钻齿，属于超硬材料制造领域。其特征是在硬质合金衬底(2)与金刚石层(1)的结合面上有一圆柱状凸台(3)，凸台(3)被同心圆状分布的沟槽(4)与径向辐射状分布的沟槽(5)分割成许多呈同心圆状排列的槽与齿，这些槽与齿深入金刚石层中，不仅降低了金刚石层中的残余应力，使残余应力的分布更加均匀，避免复合片焊接与钻井过程中产生裂纹，而且有利于提高复合片的耐磨性、耐热性及抗冲击韧性，是一种性能良好的石油钻头用复合片。

Description

金刚石/硬质合金复合片

所属技术领域

本实用新型涉及一种金刚石/硬质合金复合片，属于超硬材料制造领域。

背景技术

金刚石/硬质合金复合片是一种复合超硬材料，在石油与天然气钻头、煤田地质钻头、工程钻头及机械加工刀具等工具制造领域得到了广泛地应用。金刚石/硬质合金复合片是由金刚石层与硬质合金层在超高压高温条件下烧结而成的，它既具有金刚石的硬度与耐磨性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是一种卓越的切削工具与耐磨工具材料。

近十几年来，由于石油、天然气、煤炭等能源采掘产业的发展，对金刚石/硬质合金复合片钻头需求量急剧增加，为了提高钻头的耐用度、钻井效率及降低钻井成本，钻头制造业对复合片钻齿的物理机械性能如：耐磨性、耐热性及抗冲击性提出了越来越高的要求，因此国内外的学者对复合片的制造进行了大量的试验研究，并申报了许多专利，其中实用新型专利ZL942015363.3、ZL95209001.5、ZL96245178.9、ZL99216286.6、ZL00203712.2、ZL200420059000.0分别提出了改变金刚石层与硬质合金衬底结合介面形状的多种方案，由早先的平面结合面改变为槽齿形结合面，使金刚石层与硬质合金衬底呈槽齿啮合，金刚石层深入硬质合金衬底内部，从而增加了金刚石在复合片中的相对体积含量，提高了复合片的耐磨性；增加了金刚石层与硬质合金衬底之间的接触面积，并在两层材料之间形成了一个含金刚石与硬质合金的过渡层，有利于降低复合片因两层材料热膨胀系数不同而引起的残余应力，提高了复合片的抗冲击性；另外，金刚石层以槽齿状深入硬质合金衬底中类似于散热片，由于金刚石的热导性是自然界所有物质中最好的(导热系数为5卡/厘米.秒.度)，有利于迅速发散复合片钻齿钻削地层时产生的热量，降低复合片钻削刃口即工作区的温度，避免复合片过热而导致金刚石碳化，从而提高了复合片抗热损的能力。总之，上述实用新型专利所设计的硬质合金衬底的槽齿结构都不同程度地改善了复合片的物理机械性能，提高了复合片钻头的钻井效果。但是根据复合片钻头制造与使用单位反馈的讯息认为：它们仍然存在一些值得改进的问题，譬如：上述专利所设计的硬质合金衬底的槽齿排列方向大都呈单一方向或垂直相交二个方向，导致复合片的金刚石层圆周上残余应力的分布不均匀，有明显的方向性，顺着槽齿排列的单一方向或垂直相交的二个方向上，残余应力较大，在复合片焊接到钻头体上或钻头钻井过程中容易产生裂纹，给钻头制造与使用造成不良影响；虽然在上述专利中ZL99216286.6专利所设计的衬底上的槽是呈径向辐射状，残余应力的分布在金刚石层圆周上相对比较均匀，但是这种结构有槽无齿，金刚石层与硬质合金衬底的接触面积增加有限，对降低复合片的残余应力及改善复合片的性能不显著。因此，为了进一步减少复合片的金刚石层的残余应力，并使其在金刚石层的圆周上分布均匀，避免焊接与钻井过程中出现裂纹，以及进一步提高复合片的综合物理机械性能，对复合片的硬质合金衬底的槽齿形状与排列方向仍有进行改进的必要。

发明内容

本实用新型之目的旨在通过改变金刚石/硬质合金复合片的金刚石层与硬质合金衬底结合面上的槽齿形状与排列方向，进一步减少金刚石层的残余应力，并使残余应力在金刚石层圆周上分布相对均匀，避免复合片在焊接到钻头体上时或钻头钻井过程中金刚石层产生裂纹，与此同时进一步提高复合片的综合物理机械性能，为软-中硬地层的石油勘探与开采钻头提供一种更优良的复合片钻齿。

上述目的是通过下列方案实现的：金刚石/硬质合金复合片(图1)系由金刚石(1)与硬质合金衬底(2)在超高压高温条件下烧结而成。硬质合金衬底(2)上有一圆柱状凸台(3)，凸台(3)被若干同心圆状沟槽(4)及若干径向辐射状沟槽(5)分割成许多呈同心圆状排列的槽与齿，见图2。如图1、图2所示：衬底(2)的凸台(3)完全埋入金刚石层(1)中，凸台(3)上面的沟槽(4)、沟槽(5)及被它们分割而呈同心圆状排列的齿与金刚石层啮合在一起，大大增加了金刚石层与衬底的接触面积，有效地降低了金刚石层的残余应力，而且使残余应力在金刚石层圆周上的分布相对均匀化。

所述的凸台(3)的直径比衬底(2)的直径小1-3mm，凸台(3)的高度为0.5-2mm。

所述的沟槽(4)在凸台(3)上呈同心圆状分布，槽宽0.5-2mm、槽深0.5-2mm、槽距1-4mm、槽数视凸台(3)的直径大小而定。沟槽(4)的截面形状可为三角形、梯形、正方形、矩形、圆弧形或它们的组合形。

所述的沟槽(5)在凸台(3)上呈径向辐射状均匀分布，槽宽与槽深沿径向变化，在凸台(3)中心的槽宽与槽深为零，在凸台(3)的边沿槽宽与槽深0.5-2mm，槽数视凸台(3)的直径大小而定。沟槽(5)的截面形状可为三角形、梯形、正方形、矩形、圆弧形或它们的组合形。

本金刚石/硬质合金复合片与已有技术相比，由于硬质合金衬底(2)的凸台(3)上分布着呈同心圆状的沟槽(4)及径向辐射状沟槽(5)，它们把凸台(3)分割成许多同心圆状排列的槽与齿，相对于过去呈单一方向或垂直相交两方向排列的槽与齿而言具有以下优越性：1、金刚石层(1)与衬底(2)的啮合接触面积增加，残余应力随着接触面积的增大而相应下降，复合片的抗冲击性能随残余应力的下降而提高；2、金刚石层(1)与衬底(2)的啮合接触面积增加，可改善金刚石层在钻削地层时的散热效果，有利于防止金刚石层钻削地层时因过热而发生碳化，相应提高了复合片的耐热性及耐磨性；3、在金刚石(2)的圆周上残余应力的峰值降低而且分布较均匀，减少了复合片加热焊接到钻头体上以及钻头钻井时金刚石层裂纹的可能性；4、复合片在圆周方向上性能一致，因此焊接到钻头体上时实现了真正意义上的无需选择其方向，使焊接快捷、焊接效率提高。

附图说明

图1为本实用新型金刚石/硬质合金复合片的示意图。

图2为本实用新型金刚石/硬质合金复合片的硬质合金衬底主视图示意图。

图3为本实用新型金刚石/硬质合金复合片的硬质合金衬底俯视图示意图。

图中：(1)金刚石层，(2)硬质合金衬底，(3)圆柱状凸台，(4)同心圆状沟槽，(5)径向辐射状沟槽。

具体实施方案

实施例1：一种金刚石/硬质合金复合片(图1)，由金刚石层(1)和硬质合金衬底(2)在超高压高温条件下烧结而成。其衬底(2)上有一圆柱状凸台(3)，凸台(3)的直径比衬底(2)的直径小2mm、高度为1.2mm；凸台(3)上均匀分布着3个同心圆状的沟槽(4)，沟槽(4)的截面形状为梯形，槽顶宽1mm、槽底宽0.6mm、槽深为0.8mm、槽距为2mm，各平面相交处均有R0.1的圆弧过渡；凸台(3)上还均匀分布着20个径向辐射状沟槽(5)，沟槽(5)的截面形状为梯形，其槽顶宽、槽底宽、槽深尺寸从凸台(3)的中心向外逐渐变大，即槽顶宽从零到1mm、槽底宽从零到0.6mm、槽深从零到0.8mm、各平面相交处均有R0.1的圆弧过渡。

实施例2：如实施例1所述之金刚石/硬质合金复合片(图1)，其衬底(2)上有一圆形凸台(3)，凸台(3)上均匀分布着同心圆状的沟槽(4)及径向辐射状沟槽(5)，凸台(3)与沟槽(4)的形状、尺寸与数量、以及沟槽(5)的形状与尺寸均与实施例1相同，不同的仅仅是沟槽(5)的数量为16。

Claims (4)

1、一种金刚石/硬质合金复合片，系由金刚石层(1)与硬质合金衬底(2)在超高压高温条件下烧结而成，其特征：衬底(2)与金刚石层(1)的结合面上有一圆柱状凸台(3)，凸台(3)被同心圆状沟槽(4)和径向辐射状沟槽(5)分割成许多呈同心圆状排列的槽与齿。

2、如权利要求1所述之金刚石/硬质合金复合片，其特征是凸台(3)的直径比衬底(2)的直径小1-3mm、高度为0.5-2mm。

3、如权利要求1或2所述之金刚石/硬质合金复合片，其特征是沟槽(4)在凸台(3)上呈同心圆状分布，槽宽0.5-2mm、槽深0.5-2mm、槽距1-4mm、槽数视凸台(3)的直径大小而定；沟槽(4)的截面形状可为三角形、梯形、正方形、矩形、圆弧形或它们的组合形。

4、如权利要求1或2或3所述之金刚石/硬质合金复合片，其特征是沟槽(5)在凸台(3)上呈径向辐射状均匀分布，槽宽与槽深沿径向变化，在凸台(3)的中心槽宽与槽深为零，在凸台(3)的边缘槽宽为0.5-2mm、槽深为0.5-2mm、槽数视凸台(3)的直径大小而定；沟槽(5)的截面形状可为三角形、梯形、正方形、矩形、圆弧形或它们的组合形。

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