CN218235048U - 一种聚晶金刚石复合片及其硬质合金基体 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种聚晶金刚石复合片及其硬质合金基体。其中硬质合金基体包括圆柱状基体，圆柱状基体的结合端端面上成型有大量点状的凸起结构，凸起结构在结合端端面上的一特定区域内均匀密布，特定区域与结合端同心布置，且特定区域的边缘靠近结合端的外边缘设置。本实用新型的硬质合金基体通过在结合端上设置均匀密布的凸起结构，改变了现有的聚晶金刚石复合片的硬质合金基体端部凸起的形状、尺寸以及分布方式，提高了两者之间的结合力，而且两者之间的结合强度分布较为均匀；此外，点状凸起结构的均匀密布设置，也提高了硬质合金基体中Co元素的扩散，极大的提高了两者之间的界面结合力，显著提高了聚晶金刚石复合片的抗冲击性能。

Description

一种聚晶金刚石复合片及其硬质合金基体

技术领域

本实用新型涉及钻头领域，尤其涉及一种聚晶金刚石复合片及其硬质合金基体。

背景技术

随着油井钻探的深入，深层地下的工况环境变得越来越复杂，这就对钻头的抗冲击能力以及耐磨性提出了更好的要求，而钻头主要通过其上镶嵌的聚晶金刚石复合片对地下岩层进行切削，因此，聚晶金刚石复合片的耐磨性和抗冲击性对于钻头的切削能力和寿命起着决定性作用。目前市场上应用的聚晶金刚石复合片在实际工作中因钻头的高速运转和冲击，易出现因抗冲击能力不足导致的崩齿、断齿等问题，导致钻探效率大大降低。

聚晶金刚石复合片包括柱状硬质合金基体以及处于硬质合金基体端面的聚晶金刚石层，硬质合金基体用于固定在钻头胎体上，聚晶金刚石层用于进行破岩切削。硬质合金基体与聚晶金刚石在高温高压经过烧结而成，两种材料的差异直接导致了其不同的热膨胀系数，选用合适的烧结温度曲线以及合适形状的结合界面可以有效地解决两者在高温高压状态下的界面结合问题，进而提升聚晶金刚石复合片的抗冲击性能。

结构界面的形状和结构能够影响高温高压烧结条件下硬质合金基体与聚晶金刚石的界面应力，直接影响硬质合金基体与聚晶金刚石层的结合效果和结合力，进而影响聚晶金刚石复合片的抗冲击性能。因此，目前也有不少厂家对硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合界面做出不同的设计。如授权公告号为CN214616377U的中国实用新型专利所公开的高抗脱层聚晶金刚石复合片，其硬质合金基体的端面上设有同心的多道凸起环筋，凸起环筋的中心设有凸点，每道凸起环筋上均设有V形槽，如此在硬质合金基体与金刚石层结合时，增大了两者之间的接触面积，进而提高了两者之间的结合强度。

但是这种复合片聚晶金刚石层与硬质合金基体之间从中部到边缘的结合强度并不均匀，而且仅通过提高聚晶金刚石层与硬质合金基体之间的接触面积，对于结合强度的提升比较有限。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种聚晶金刚石复合片，用以解决现有的聚晶金刚石复合片的硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合强度分布不均、结合强度有限的问题；同时，本实用新型还提供了一种硬质合金基体，用以解决现有的硬质合金基体制得的聚晶金刚石复合片中，硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合强度分布不均、结合强度有限的问题。

硬质合金基体包括圆柱状基体，圆柱状基体的一端为用于与聚晶金刚石层结合的结合端，结合端端面上成型有大量点状的凸起结构，所述凸起结构在结合端端面上的一特定区域内均匀密布，所述特定区域与结合端同心布置，特定区域的形状为中心对称形状，所述特定区域的边缘靠近结合端的外边缘设置。

本实用新型的硬质合金基体通过在结合端上设置均匀密布的凸起结构，改变了现有的聚晶金刚石复合片的硬质合金基体端部凸起的形状、尺寸以及分布方式，不仅进一步增大了硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的接触面积，提高了两者之间的结合力，而且两者之间的结合强度分布较为均匀；此外，预料不到的是，点状凸起结构的均匀密布设置，也提高了硬质合金基体中Co元素的扩散，进而使得聚晶金刚石层与硬质合金基体更加有效的结合在一起，极大的提高了两者之间的界面结合力，显著提高了聚晶金刚石复合片的抗冲击性能。

进一步的，凸起结构顶端的径向尺寸小于其底部的径向尺寸。这种结构能够便于聚晶金刚石层充分伸入到相邻凸起结构之间的间隙内，保证两者之间紧密结合不留间隙，进而提高两者之间的结合力。

进一步的，所述凸起结构在所述特定区域内呈网格状分布，所述凸起结构截面形状为矩形，凸起结构的外侧面为从结合端端面向上倾斜延伸的斜面。这种结构形式的凸起结构形状规则，分布规则，不仅保证了聚晶金刚石层与硬质合金基体之间结合强度比较均匀，而且硬质合金基体的制造加工也较为方便。

进一步的，相邻两个凸起结构的相对侧面之间的夹角为30°-90°。这样的夹角范围，既能够便于硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的紧密结合，又能够降低硬质合金基体端部的制造，兼顾了硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合强度以及加工制造成本。

进一步的，所述凸起结构在所述特定区域内呈网格状分布。这样的分布形式，便于硬质合金基体的加工制造，而且能够使硬质合金基体与聚晶金刚石层之间各部分的结合状态保持一致，能够提高两者之间各处结合强度的均匀性。

进一步的，相邻两个凸起结构的相对的两外侧面的底部通过底部圆角圆滑过渡连接。这样能够在硬质合金基体和聚晶金刚石层结合后，两者之间的传力更加均匀分散，避免出现严重的应力集中，提高复合片的抗冲击性能。

进一步的，所述所述底部圆角的半径处于0.5-1.0mm之间。底部圆角处于该范围内，保证凸起结构具有较高的密度，保证了聚晶金刚石层与硬质合金基体之间具有较大的结合面积，而且也提升了Co元素的扩散效果，提高了两者之间的结合力。

进一步的，所述凸起结构具有顶部平面，所述顶部平面与外侧面之间通过顶部圆角圆滑过渡连接。凸起结构通过设置顶部平面以及顶部圆角，消除了顶部尖角结构，避免聚晶金刚石层与硬质合金基体结合后出现应力集中，提高了复合片的抗冲击性能。

进一步的，所述顶部圆角的半径处于0.5-1.0mm之间。将顶部圆角设置在该范围，既不会因为半径过小而在凸起结构的顶部边缘形成棱角，也不会因为半径过大而弱化结合面之间的凹凸配合，使硬质合金基体与聚晶金刚石层之间结合效果较好。

进一步的，所述凸起结构的顶部与结合端端面之间的距离处于0.5-1.0mm之间。这样既不会使凸起结构的长径比较大而削弱凸起结构的强度，也不会因为凸起结构的长径比较小而弱化结合面之间的凹凸配合，使硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合效果较好。

进一步的，所述特定区域为圆形区域，这样与圆柱状基体的外形相匹配，在圆周方向，聚晶金刚石层与硬质合金基体的结合强度保持一致。

一种聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体以及处于硬质合金基体端部的聚晶金刚石层，所述硬质合金基体包括圆柱状基体，圆柱状基体的一端为用于与聚晶金刚石层结合的结合端，结合端端面上成型有大量点状的凸起结构，所述凸起结构在结合端端面上的一特定区域内均匀密布，所述特定区域与结合端同心布置，且所述特定区域的边缘靠近结合端的外边缘设置。

本实用新型的复合片的硬质合金基体通过在结合端上设置均匀密布的凸起结构，改变了现有的聚晶金刚石复合片的硬质合金基体端部凸起的形状、尺寸以及分布方式，不仅进一步增大了硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的接触面积，提高了两者之间的结合力，而且两者之间的结合强度分布较为均匀；此外，预料不到的是，点状凸起结构的均匀密布设置，也提高了硬质合金基体中Co元素的扩散，进而使得聚晶金刚石层与硬质合金基体更加有效的结合在一起，极大的提高了两者之间的界面结合力，显著提高了聚晶金刚石复合片的抗冲击性能。

进一步的，凸起结构顶端的径向尺寸小于其底部的径向尺寸。这种结构能够便于聚晶金刚石层充分伸入到相邻凸起结构之间的间隙内，保证两者之间紧密结合不留间隙，进而提高两者之间的结合力。

进一步的，所述凸起结构在所述特定区域内呈网格状分布，所述凸起结构截面形状为矩形，凸起结构的外侧面为从结合端端面向上倾斜延伸的斜面。这种结构形式的凸起结构形状规则，分布规则，不仅保证了聚晶金刚石层与硬质合金基体之间结合强度比较均匀，而且硬质合金基体的制造加工也较为方便。

进一步的，相邻两个凸起结构的相对侧面之间的夹角为30°-90°。这样的夹角范围，既能够便于硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的紧密结合，又能够降低硬质合金基体端部的制造，兼顾了硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合强度以及加工制造成本。

进一步的，所述凸起结构在所述特定区域内呈网格状分布。这样的分布形式，便于硬质合金基体的加工制造，而且能够使硬质合金基体与聚晶金刚石层之间各部分的结合状态保持一致，能够提高两者之间各处结合强度的均匀性。

进一步的，相邻两个凸起结构的相对的两外侧面的底部通过底部圆角圆滑过渡连接。这样能够在硬质合金基体和聚晶金刚石层结合后，两者之间的传力更加均匀分散，避免出现严重的应力集中，提高复合片的抗冲击性能。

进一步的，所述所述底部圆角的半径处于0.5-1.0mm之间。底部圆角处于该范围内，保证凸起结构具有较高的密度，保证了聚晶金刚石层与硬质合金基体之间具有较大的结合面积，而且也提升了Co元素的扩散效果，提高了两者之间的结合力。

进一步的，所述凸起结构具有顶部平面，所述顶部平面与外侧面之间通过顶部圆角圆滑过渡连接。凸起结构通过设置顶部平面以及顶部圆角，消除了顶部尖角结构，避免聚晶金刚石层与硬质合金基体结合后出现应力集中，提高了复合片的抗冲击性能。

进一步的，所述顶部圆角的半径处于0.5-1.0mm之间。将顶部圆角设置在该范围，既不会因为半径过小而在凸起结构的顶部边缘形成棱角，也不会因为半径过大而弱化结合面之间的凹凸配合，使硬质合金基体与聚晶金刚石层之间结合效果较好。

进一步的，所述凸起结构的顶部与结合端端面之间的距离处于0.5-1.0mm之间。这样既不会使凸起结构的长径比较大而削弱凸起结构的强度，也不会因为凸起结构的长径比较小而弱化结合面之间的凹凸配合，使硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合效果较好。

进一步的，所述特定区域为圆形区域，这样与圆柱状基体的外形相匹配，在圆周方向，聚晶金刚石层与硬质合金基体的结合强度保持一致。

附图说明

图1为本实用新型的聚晶金刚石复合片的实施例1中硬质合金基体的俯视图；

图2为图1中F-F的剖视图；

图3为图2中P处的结构放大图；

图4为本实用新型的聚晶金刚石复合片的实施例1中硬质合金基体的局部立体放大图。

图中：1、圆柱状基体；10、结合端端面；11、凸起结构；100、圆形区域；111、顶部圆角；112、底部圆角；113、顶部平面。

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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。

本实用新型的聚晶金刚石复合片的具体实施例1：

聚晶金刚石复合片包括硬质合金基体以及设置在硬质合金基体上的聚晶金刚石层，其中，硬质合金基体的结构如图1-4所示，包括圆柱状基体1，圆柱状基体1的一端为用于与聚晶金刚石层结合的结合端，在加工复合片时，聚晶金刚石覆于该端并进行烧结，即能够在硬质合金基体上成型聚晶金刚石层。

为了保证聚晶金刚石层与硬质合金基体之间可靠的结合，进而提升复合片的抗冲击能力，本实施例中的硬质合金基体的结合端具有特殊的结构特点。

如图所示，结合端端面10上成型有大量点状的凸起结构11，这些凸起结构11在结合端端面10上的一圆形区域100内呈网格状均匀密布，而且从图中能够明显看出，该圆形区域100与结合端同心布置，且圆形区域100的边缘靠近结合端的外边缘设置，即圆形区域100略小于结合端的面积，而使这些凸起结构11整体上有较大的覆盖面积，在与聚晶金刚石层结合时，增大硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的接触面积，进而增大两者之间的结合力。

而且，这些凸起结构11自身也具有一定的结构特点。

本实施例中，凸起结构11的上端具有顶部平面113，避免顶部采用尖端结构的设计，能够避免硬质合金基体在与聚晶金刚石层结合后在尖端位置产生应力集中。凸起结构11的顶部平面113至结合端端面10的距离，即凸起结构11的高度h可于0.5-1mm内选择，本实施例中具体为h＝0.5mm，凸起结构11在圆柱状基体1的垂直于轴线方向的截面上形状为正方形，且其顶端的径向尺寸小于其底部的径向尺寸，凸起结构11的四个外侧面从结合端端面10向上倾斜延伸并与顶部平面113的边缘交汇。具体的，相邻两个凸起结构11的相对侧面之间的夹角A为30°。这种上小下大的结构，便于聚晶金刚石层与结合端的紧密结合，避免在两者的结合面之间产生微小空隙。

同时，为了避免应力集中，顶部平面113与外侧面相交汇的位置设有顶部圆角111，并通过顶部圆角111过渡连接，顶部圆角111的半径可于0.5-1mm内选择，本实施例中具体为0.5mm；相邻两个凸起结构11的相对侧面的下端通过底部圆角112过渡连接，底部圆角112的半径可于0.5-1mm内选择，本实施例中具体为0.5mm。

本实施例中，凸起结构11的高度、顶部圆角111以及底部圆角112的半径值选取以上数值，能够保证凸起结构11具有合适的密度和长径比(高度与径向尺寸的比例)，保证了聚晶金刚石层与硬质合金基体之间具有较大的结合面积，提升了Co元素的扩散效果，同时，既避免了因为圆角半径过小而在凸起结构11的顶部边缘或凸起结构11的根部形成棱角，也不会因为圆角半径过大而弱化结合面之间的凹凸配合，整体上使得硬质合金基体与聚晶金刚石层保持较好的结合状态，具有较高的结合力，提高了复合片的抗冲击性能。

本实用新型还提供了其他变形实施例：

在其他实施例中，凸起结构的高度为0.8mm，顶部平面与外侧面相交汇的位置设有顶部圆角，并通过顶部圆角过渡连接，顶部圆角的半径为0.8mm，相邻两个凸起结构的相对侧面的下端通过底部圆角过渡连接，底部圆角的半径也为0.8mm。

或者，在其他实施例中，凸起结构的高度为1mm，顶部平面与外侧面相交汇的位置设有顶部圆角，并通过顶部圆角过渡连接，顶部圆角的半径为1mm，相邻两个凸起结构的相对侧面的下端通过底部圆角过渡连接，底部圆角的半径也为1mm。

再或者，在其他实施例中，凸起结构的高度、顶部圆角的半径值以及底部圆角的半径值可以不等，如凸起结构的高度为1mm，顶部平面与外侧面相交汇的位置设有顶部圆角，并通过顶部圆角过渡连接，顶部圆角的半径为0.5mm，相邻两个凸起结构的相对侧面的下端通过底部圆角过渡连接，底部圆角的半径也为1mm。

或者，在其他实施例中，凸起结构在圆柱状基体的垂直于轴线方向的截面上形状为长方形或圆形或三角形或正五边形或正六边形；凸起结构的外侧面也可以为在上下方向上圆滑过渡延伸的曲面。

或者，在其他实施例中，相邻两凸起结构的相对侧面之间的夹角为45°或60°或90°或其他值，整体上处于30°-90°较为合适。

再或者，在其他实施例中，凸起结构在圆形区域内呈多个同心环形式的均匀密布，或每相邻的四个凸起结构呈菱形布置；当然，结合端上的凸起结构整体上所在的区域形状也可变化，例如处于正五边形或正六边形或边数更多的正多边形区域内，或者处于瓣数较多的花瓣形区域内。

本实用新型的硬质合金基体的具体实施例：其具体结构与上述聚晶金刚石复合片的实施例中的硬质合金基体的结构相同，本文不再赘述。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (11)

1.一种硬质合金基体，包括圆柱状基体（1），圆柱状基体（1）的一端为用于与聚晶金刚石层结合的结合端，其特征是，结合端端面（10）上成型有大量点状的凸起结构（11），所述凸起结构（11）在结合端端面（10）上的一特定区域内均匀密布，所述特定区域与结合端同心布置，特定区域的形状为中心对称形状，所述特定区域的边缘靠近结合端的外边缘设置，所述凸起结构（11）的顶部与结合端端面（10）之间的距离处于0.5-1.0mm之间。

2.根据权利要求1所述的硬质合金基体，其特征是，凸起结构（11）顶端的径向尺寸小于其底部的径向尺寸。

3.根据权利要求2所述的硬质合金基体，其特征是，所述凸起结构（11）在所述特定区域内呈网格状分布，所述凸起结构（11）截面形状为矩形，凸起结构（11）的外侧面为从结合端端面（10）向上倾斜延伸的斜面。

4.根据权利要求3所述的硬质合金基体，其特征是，相邻两个凸起结构（11）的相对侧面之间的夹角为30°~90°。

5.根据权利要求1所述的硬质合金基体，其特征是，所述凸起结构（11）在所述特定区域内呈网格状分布。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的硬质合金基体，其特征是，相邻两个凸起结构（11）的相对的两外侧面的底部通过底部圆角（112）圆滑过渡连接。

7.根据权利要求6所述的硬质合金基体，其特征是，所述底部圆角（112）的半径处于0.5-1.0mm之间。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的硬质合金基体，其特征是，所述凸起结构（11）具有顶部平面（113），所述顶部平面（113）与外侧面之间通过顶部圆角（111）圆滑过渡连接。

9.根据权利要求8所述的硬质合金基体，其特征是，所述顶部圆角（111）的半径处于0.5-1.0mm之间。

10.根据权利要求1-5任意一项所述的硬质合金基体，其特征是，所述特定区域为圆形区域（100）。

11.一种聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体以及处于硬质合金基体端部的聚晶金刚石层，其特征是，所述硬质合金基体为权利要求1-10任意一项所述的硬质合金基体。

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