CN210309324U - 一种多层结构的超硬复合片 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于超硬材料领域，尤其涉及一种多层结构的超硬复合片。所述超硬复合片包括硬质合金基体以及包覆在硬质合金基体作业面处的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层包括沿垂直硬质合金基体作业面方向一体顺次粘接的至少两个聚晶金刚石分层。本实用新型将聚晶金刚石层即超硬材料层设计为多层且顺次粘贴的一体结构，有效实现最外部聚晶金刚石分层至硬质合金基体作业面之间的应力过渡，提高整体的抗冲击性能，防止崩片和脱层等失效形式的发生。

Description

一种多层结构的超硬复合片

技术领域

本实用新型属于超硬材料领域，尤其涉及一种多层结构的超硬复合片。

背景技术

超硬复合材料具有高抗冲击和耐磨性能，包括超硬材料和硬质合金基体，生产时将硬质合金基体放入含有金刚石晶粒等材料的容器中，两者相邻组装好，在高温高压设备中烧结，其中金刚石晶粒之间的烧结形成PCD结构。金刚石等晶粒在硬质合金基体上结合形成超硬材料层，超硬材料层和硬质合金基体连接在一起，形成超硬复合材料。

现有技术中，超硬复合材料用于牙轮钻头、地质钻头、冲击钻头、石油钻头等破碎、采挖设备上，由于其在工作过程中常常要承受剧烈外力、扭力、震动以及高温、温度变化。所以超硬复合材料结构的内部形成内应力，例如钻头可能存在因为在钻进过程中钻进不均匀加剧应力的产生，再例如钻头回转、跳动常常导致超硬材料层或者硬质合金基体的碎裂和分层，进而导致寿命受损，降低钻头的效率，甚至超硬材料层有时会与硬质合金基体发生分离。而超硬复合材料在冲击和石油钻头中的破坏形式是剪切失效。同时在超硬材料和基体之间的界面因为固有的残余应力还特别容易出现非剪切失效形式。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多层结构的超硬复合片，本实用新型将聚晶金刚石层即超硬材料层设计为多层且顺次粘贴的一体结构，有效实现最外部聚晶金刚石分层至硬质合金基体作业面之间的应力过渡，提高整体的抗冲击性能，防止崩片和脱层等失效形式的发生。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种多层结构的超硬复合片，包括硬质合金基体以及包覆在硬质合金基体作业面处的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层包括沿垂直硬质合金基体作业面方向一体顺次粘接的至少两个聚晶金刚石分层。

优选的，所述聚晶金刚石分层的厚度为0.1-5mm，且相邻两个聚晶金刚石分层的形状不同。

优选的，所述聚晶金刚石分层整体结构造型呈曲面状或圆台状。

优选的，所述聚晶金刚石层呈圆台状，且圆台顶面一体设有半径为0.5-5mm的外凸曲面结构。

优选的，所述聚晶金刚石层呈半径为5-15mm的半球状外凸曲面结构。

优选的，所述聚晶金刚石层与硬质合金基体体积比为0.75-1，所述聚晶金刚石层的晶粒尺寸为1-100微米，聚晶金刚石层沿垂直硬质合金作业面方向的厚度至少为2mm。

更为优选的，沿垂直硬质合金作业面至外界的直线方向的数个聚晶金刚石分层，其粘接剂含量逐渐减少，直接包覆在硬质合金作业面处的聚晶金刚石层，其粘接剂含量为5-20wt%，暴露在外界的聚晶金刚石层，其粘接剂含量为2-10wt%或0-5wt%，所述粘接剂为Co、Ni、Fe、Ti、Ta、Nb、Al或其组合。

具体的，如果暴露在外界的聚晶金刚石层没有进行粘接剂脱除处理，则其粘接剂含量为2-10wt%，如果对其进行了粘接剂脱除处理，则其粘接剂含量应为0-5wt%。

申请人发现现有技术中的超硬复合材料之所以出现背景技术中记载的问题，是因为超硬材料层同硬质合金基体之间存在巨大的材料性能差异，主要包括膨胀系数和弹性模量，所以当超硬复合材料处于恶劣的工作环境时，超硬材料层同硬质合金基体之间存在巨大的内应力。

而本实用新型将聚晶金刚石层即超硬材料层设计为多个聚晶金刚石分层，而聚晶金刚石分层之间同样采用烧结工艺形成一体，加之聚晶金刚石分层的结构不同，因此可以有效实现超硬材料层最外侧至硬质合金基体材料之间力学性能的完美过渡，防止超硬材料层与硬质合金基体分离。同时，本实用新型的创造性还体现在不沿垂直硬质合金作业面至外界的直线方向的数个聚晶金刚石分层，其粘接剂含量逐渐减少，不仅可以有效使得各个聚晶金刚石分层之间以及聚晶金刚石分层与硬质合金基体之间的紧密连接，而且也有效实现最外部聚晶金刚石分层至硬质合金基体作业面之间的应力过渡，进一步防止崩片和脱层等失效形式的发生。

所述的多层结构的超硬复合片在掘进设备、破碎设备、钻探设备、刀具、硬度测量设备中的应用，所述设备可以具体为：冲击钻头、牙轮钻头、石油钻头、硬度计压头、煤截齿、沥青截齿、锤式破碎机，颚式破碎机，沥青钻头、雕刻刀、挖沟机等机械。其中具体的应用方式可以为将硬质合金部分焊接或者压装进相应机械的钢基钻体内。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：本实用新型将聚晶金刚石层即超硬材料层设计为多层且顺次粘贴的一体结构，有效实现最外部聚晶金刚石分层至硬质合金基体作业面之间的应力过渡，提高整体的抗冲击性能，防止崩片和脱层等失效形式的发生。

附图说明

图1为实施例1所述多层结构的超硬复合片的结构示意图；

图2为实施例1所述多层结构的超硬复合片的截面结构示意图；

图3为实施例2所述多层结构的超硬复合片的结构示意图；

图4为实施例2所述多层结构的超硬复合片的截面结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1-2所示，一种多层结构的超硬复合片，直径为14mm，轴向总高20mm，包括硬质合金基体4以及包覆在硬质合金基体作业面处的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层包括沿垂直硬质合金基体作业面方向一体顺次粘接的第一聚晶金刚石分层1、第二聚晶金刚石分层2和第三聚晶金刚石分层4。

所述聚晶金刚石层呈半径R为7mm的半球状外凸曲面结构，所述聚晶金刚石分层整体结构造型呈曲面状且第一聚晶金刚石分层至第三聚晶金刚石分层的厚度递减；所述聚晶金刚石层的晶粒尺寸为1-100微米。

实施例2

如图3-4所示，一种多层结构的超硬复合片，直径为14mm，轴向总高20mm，包括硬质合金基体4以及包覆在硬质合金基体作业面处的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层包括沿垂直硬质合金基体作业面方向一体顺次粘接的第一聚晶金刚石分层1、第二聚晶金刚石分层2和第三聚晶金刚石分层4。

所述聚晶金刚石层呈圆台状，且圆台顶面一体设有半径R为3mm的外凸曲面结构，所述聚晶金刚石分层整体结构造型呈曲面状且第一聚晶金刚石分层至第三聚晶金刚石分层的厚度递减；所述聚晶金刚石层的晶粒尺寸为1-100微米。

将实施例1所述的超硬复合片和现有技术中的超硬复合片均采用落锤冲击试验机进行抗冲击性能检测，实施例1所述的复合片可承受60J的冲击能量，而现有技术中的超硬复合片可承受的冲击能量为40J，相对而言，本实用新型提供的多层结构的超硬复合片，其抗冲击性相对现有技术的超硬复合片提高0.5倍。而且在实测冲击钻头钻进测试中，实施例1所述超硬复合片未出现崩片、脱层等失效形式，且使用寿命较现有技术的超硬复合片而言提高了5倍。

Claims (6)

1.一种多层结构的超硬复合片，包括硬质合金基体以及包覆在硬质合金基体作业面处的聚晶金刚石层，其特征在于，所述聚晶金刚石层包括沿垂直硬质合金基体作业面方向一体顺次粘接的至少两个聚晶金刚石分层。

2.如权利要求1所述的多层结构的超硬复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石分层的厚度为0.1-5mm，且相邻两个聚晶金刚石分层的形状不同。

3.如权利要求1所述的多层结构的超硬复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石分层整体结构造型呈曲面状或圆台状。

4.如权利要求1所述的多层结构的超硬复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层呈圆台状，且圆台顶面一体设有半径为0.5-5mm的外凸曲面结构。

5.如权利要求1所述的多层结构的超硬复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层呈半径为5-15mm的半球状外凸曲面结构。

6.如权利要求1所述的多层结构的超硬复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层与硬质合金基体体积比为0.75-1，所述聚晶金刚石层的晶粒尺寸为1-100微米，聚晶金刚石层沿垂直硬质合金作业面方向的厚度至少为2mm。

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