CN208152950U - 高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，应用于PDC锯齿钻头，至少包括硬质合金基体，及在硬质合金基体上高温高压烧结而成的多晶金刚石层，所述硬质合金基体上设有与所述多晶金刚石层产生锚定效应的凸台以及一组位于所述凸台四周的凸出物，所述凸台呈十字状，其中心点位于所述硬质合金基体的中轴线上，所述凸出物和凸台与硬质合金基体一体成型。本实用新型的有益效果主要体现在：结构简单，设计巧妙，可减小内应力，增加硬质合金基体和多晶金刚石层的结合强度，提高多晶金刚石硬质合金复合片的整体抗冲击性能。

Description

高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片

技术领域

本实用新型涉及钻探和机加工领域，具体而言，尤其涉及一种高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片。

背景技术

金刚石复合片（简称PDC）是将金刚石微粉与硬质合金基体组装在一起后，在六面顶压机上在高温高压条件下烧结而成的超硬复合材料。它由聚晶金刚石和硬质合金基体构成，兼顾了聚晶金刚石高硬度、高耐磨性和硬质合金基体良好的抗冲击韧性、可焊性的优点，因此被广泛使用于石油（气）钻探、地质勘探、煤田钻采等行业领域。

随着石油（气）钻井深度的不断增加，钻遇地层日益复杂，人类对PDC钻头的使用寿命要求也越来越高。而PDC作为PDC钻头的主要工作部件，其是经焊接固定在钻头基体上，也就使得PDC的切削刃位置是固定不变的，PDC自始至终只有一小部分参与岩层的切削，为了提高PDC钻头的寿命，我们首先想到的就是增加PDC的聚晶金刚石层厚度，但随着聚晶金刚石层的加厚，会使得PDC边缘拉应力区宽度成倍增加，同时PDC边缘界面附近轴向的最大拉应力和最大剪应力也显著增加，最终造成PDC界面极易产生裂纹。这样的后果就是，一方面会严重影响产品烧结时的成品率；另一方面，如果PDC的裂纹出现在钻进工作中，会造成钻头失效，严重影响钻进效率，从而给钻井工作造成巨大损失。

石油（气）钻井过程中，PDC至始至终都需要泥浆来进行冷却，泥浆及混在其中的岩屑对PDC钻齿的工作部位不断冲蚀，常常使得靠近聚晶金刚石层的硬质合金基体率先磨损，从而导致聚晶金刚石层失去支撑而崩损，最终造成钻头失效。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，应用于PDC锯齿钻头，至少包括硬质合金基体，及在硬质合金基体上高温高压烧结而成的多晶金刚石层，所述硬质合金基体上设有与所述多晶金刚石层产生锚定效应的凸台以及一组位于所述凸台四周的凸出物，所述凸台呈十字状，其中心点位于所述硬质合金基体的中轴线上，所述凸出物和凸台与硬质合金基体一体成型。

优选的，所述硬质合金基体呈圆柱状。

优选的，所述凸台的长度等于所述硬质合金基体的直径，所述凸出物等距离固设在所述硬质合金基体上位于所述凸台的四周，呈圆柱状。

优选的，所述凸台的长度介于所述硬质合金基体的半径与直径之间，所述凸出物等距离固设在所述硬质合金基体上位于所述凸台的四周，呈矩形状。

优选的，所述凸台的长度小于所述硬质合金基体的半径，所述凸出物等距离固设在所述硬质合金基体上位于所述凸台的四周，呈矩形状。

优选的，所述硬质合金基体上还设有一宽带环，所述凸出物均位于所述宽带环内，且所述宽带环的直径等于所述硬质合金基体的直径。

优选的，所述凸台的高度为0.3mm~1.5mm，宽度为0.5mm~5mm。

优选的，所述凸台的十字状边界是笔直的，或是弯曲的。

本实用新型的有益效果主要体现在：

1、烧结前，硬质合金基体的表面呈凹凸状，与多晶金刚石层之间产生锚定效应，以增加两者之间的附着力；

2、烧结后，凸台和凸出物深入到多晶金刚石层中，可增强结合力，降低内部应力，提高多晶金刚石硬质合金复合片的整体抗冲击性能；

3、凸台的设置可使其周围形成一个箍紧内力，使得硬质合金基体与多晶金刚石层结合更加牢固；

4、凸出物的设置可使硬质合金基体与多晶金刚石层之间相互嵌入，有利于提高产品的抗冲击性能，同时根据几何结构和受力分析而言，凸出物相较于平面结构，可使所承受应力呈无方向性分布，分散界面应力，加强硬质合金基体与多晶金刚石层之间的界面结合力，从而进一步提升产品的抗冲击性能；

5、凸台设计为十字状结构，可将硬质合金基体分成四个象限，以使其在使用过程中多晶金刚石层裂纹/分层不易贯穿多晶金刚石硬质合金复合片，减少整体失效概率，提高使用寿命；同时，可以使复合片旋转角度后重复使用。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

图1：本实用新型的主视图；

图2：本实用新型第一实施例的立体图，此时，去除多晶金刚石层；

图3：本实用新型第二实施例的立体图，此时，去除多晶金刚石层；

图4：本实用新型第三实施例的立体图，此时，去除多晶金刚石层。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限于本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

如图1至图2所示，本实用新型揭示了一种高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，至少包括硬质合金基体1，及在呈圆柱状结构的硬质合金基体1上高温高压烧结而成的多晶金刚石层2，具有这种结构的本实用新型高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片可以很好的用作，例如，钻头、端铣刀、用于铣削或车床车削的刀刃可替换式切削刀片、金工锯、齿轮刀具、铰刀、丝锥或者用于对曲轴进行销铣削的刀片、用于切割玻璃基板的切割件、光纤切割器。

从上文能看出，本实用新型的高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片能够用于多种应用，并且特别地，该高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片可适用于对难以用常规切削工具进行处理的难于切削的材料进行处理。也就是说，由于与常规切削工具的表面相比本所述高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片的表面具有增强的硬度，所以该高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片能够极其有效地用于处理难于切削的材料。

所述硬质合金基体1上设有与所述多晶金刚石层2产生锚定效应的凸台3，在烧结前，所述硬质合金基体1的表面呈凹凸状，与多晶金刚石层之间产生锚定效应，以增加两者之间的附着力。在烧结后，凸台和凸出物深入到多晶金刚石层中，可增强结合力，降低内部应力，提高多晶金刚石硬质合金复合片的整体抗冲击性能。本实用新型中，所述凸台3呈十字状，利用所述多晶金刚石层2烧结后体积收缩的特点，在所述凸台3周围形成一个箍紧内力，使得所述硬质合金基体1与多晶金刚石层2结合更加牢固。

同时，本实用新型中的所述凸台3呈十字状结构可将所述硬质合金基体1的表面分成四个象限，由于所述硬质合金基体1的韧性小于所述多晶金刚石层2的韧性，所以在使用过程中有可能所述多晶金刚石层2出现裂纹/分层。当该现象产生时，其内部裂纹穿过或者绕过十字形状所需要的更多能量，即内部裂纹只会产生在所述硬质合金基体1的表面的其中一个象限中，从而不易于将所述多晶金刚石硬质合金复合片整体破坏，这样就减少了所述硬质合金基体1整体失效的概率，从而提高了寿命。另外在现场操作过程中如一旦所述硬质合金基体1损坏且内部裂纹只会产生在所述硬质合金基体1的表面的其中一个象限中，可以将复合片旋转一定的角度，如45°、90°等，这样可重复使用而不受整体影响。所述凸台3的中心点位于所述硬质合金基体1的中轴线上，当然所述凸台3的形状也可以是相对弯曲的界限，例如弧形的弯曲状，能实现将所述硬质合金基体1的表面分隔即可。

所述硬质合金基体1上还有一组位于所述凸台3四周的凸出物4，所述凸台3的高度可大于或等于或小于所述凸出物4的高度，且所述凸出物4和凸台3与硬质合金基体1一体成型，另外，所述凸出物4可为小圆锥台、小方锥台、小圆柱、小方柱等，不对其形状作具体限定，均属于本实用新型的保护范畴。另外所述凸出物4的设计可使所述硬质合金基体1与多晶金刚石层2之间相互嵌入，有利于提高产品的抗冲击性能，同时根据几何结构和受力分析而言，所述凸出物4相较于平面结构，可使所承受应力呈无方向性分布，分散界面应力，加强所述硬质合金基体1与多晶金刚石层2之间的界面结合力，从而进一步提升产品的抗冲击性能。

如图2所示，本实用新型第一实施例中，所述凸台3的长度等于所述硬质合金基体1的直径，所述凸出物4等距离固设在所述硬质合金基体1上位于所述凸台3的四周，呈圆柱状。

如图3所示，本实用新型第二实施例中，所述凸台3的长度介于所述硬质合金基体1的半径与直径之间，所述凸出物4等距离固设在所述硬质合金基体1上位于所述凸台3的四周，呈矩形状。

如图4所示，本实用新型第三实施例中，所述凸台3的长度小于所述硬质合金基体1的半径，所述凸出物4等距离固设在所述硬质合金基体1上位于所述凸台3的四周，呈矩形状。

所述硬质合金基体1上还设有一宽带环5，所述凸出物4均位于所述宽带环5内，且所述宽带环5的直径等于所述硬质合金基体1的直径。由于所述硬质合金基体1为毛坯件，外圆加工会磨去部分所述硬质合金基体1，为使凸台3不暴露在外面，故设计所述宽带环5。

所述凸台3的高度为0.3mm~1.5mm，宽度为0.5mm~5mm，当然，其高度和宽度可根据具体产品决定，其他数值亦属于本实用新型的保护范畴，不作具体限定。

本实用新型的有益效果主要体现在：

1、烧结前，硬质合金基体的表面呈凹凸状，与多晶金刚石层之间产生锚定效应，以增加两者之间的附着力；

2、烧结后，凸台和凸出物深入到多晶金刚石层中，可增强结合力，降低内部应力，提高多晶金刚石硬质合金复合片的整体抗冲击性能；

3、凸台的设置可使其周围形成一个箍紧内力，使得硬质合金基体与多晶金刚石层结合更加牢固；

4、凸出物的设置可使硬质合金基体与多晶金刚石层之间相互嵌入，有利于提高产品的抗冲击性能，同时根据几何结构和受力分析而言，凸出物相较于平面结构，可使所承受应力呈无方向性分布，分散界面应力，加强硬质合金基体与多晶金刚石层之间的界面结合力，从而进一步提升产品的抗冲击性能；

5、凸台设计为十字状可将硬质合金基体分成四个象限，以使其在使用过程中多晶金刚石层裂纹/分层不易贯穿多晶金刚石硬质合金复合片，减少整体失效概率，提高使用寿命；同时，可以旋转角度后重复使用，延长使用寿命。

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实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，应用于PDC锯齿钻头，其特征在于：至少包括硬质合金基体（1），及在硬质合金基体（1）上高温高压烧结而成的多晶金刚石层（2），所述硬质合金基体（1）上设有与所述多晶金刚石层（2）产生锚定效应的凸台（3）以及一组位于所述凸台（3）四周的凸出物（4），所述凸台（3）呈十字状，其中心点位于所述硬质合金基体（1）的中轴线上，所述凸出物（4）和凸台（3）与硬质合金基体（1）一体成型。

2.根据权利要求1所述的高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：所述硬质合金基体（1）呈圆柱状。

3.根据权利要求2所述的高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：所述凸台（3）的长度等于所述硬质合金基体（1）的直径，所述凸出物（4）等距离固设在所述硬质合金基体（1）上位于所述凸台（3）的四周，呈圆柱状。

4.根据权利要求2所述的高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：所述凸台（3）的长度介于所述硬质合金基体（1）的半径与直径之间，所述凸出物（4）等距离固设在所述硬质合金基体（1）上位于所述凸台（3）的四周，呈矩形状。

5.根据权利要求2所述的高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：所述凸台（3）的长度小于所述硬质合金基体（1）的半径，所述凸出物（4）等距离固设在所述硬质合金基体（1）上位于所述凸台（3）的四周，呈矩形状。

6.根据权利要求5所述的高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：所述硬质合金基体（1）上还设有一宽带环（5），所述凸出物（4）均位于所述宽带环（5）内，且所述宽带环（5）的直径等于所述硬质合金基体（1）的直径。

7.根据权利要求1所述的高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：所述凸台（3）的高度为0.3mm~1.5mm，宽度为0.5mm~5mm。

8.根据权利要求1至7任一所述的高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：所述凸台（3）的十字状边界是笔直的。

9.根据权利要求1至7任一所述的高结合强度的多晶金刚石硬质合金复合片，其特征在于：所述凸台（3）的十字状边界是弯曲的。