CN219034626U - 一种聚晶金刚石复合片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及探钻工具技术领域，具体涉及一种聚晶金刚石复合片。聚晶金刚石复合片包括硬质合金基体和覆盖在硬质合金基体上方的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的外周面沿其轴向分为至少两段弯曲工作面，所有弯曲工作面的纵剖外轮廓均为凸向聚晶金刚石复合片外侧的曲线，任意相邻两段弯曲工作面之间形成凹槽，各弯曲工作面均自下而上向聚晶金刚石复合片轴线靠拢，而形成锥形结构的聚晶金刚石层。这样设计，聚晶金刚石复合片结合现有技术中聚晶金刚石复合片的锥齿结构和球齿结构，能够减少脱层情况、断齿情况的发生。

Description

一种聚晶金刚石复合片

技术领域

本实用新型涉及探钻工具技术领域，具体涉及一种聚晶金刚石复合片。

背景技术

聚晶金刚石复合片(简称PCD复合片)通常是由金刚石粉末与硬质合金基体通过粘结剂在高温高压下烧结而成。金刚石层具有高硬度、高耐磨性、自锐性的特点，对击碎和磨削岩石提供强力的突破效果。因此，PCD复合片作为切削元件已在牙齿钻头、刮刀钻头、潜孔钻头等工具中使用，其广泛应用于石油和天然气钻探、煤炭开采等钻采业领域。然而，随着石油勘探开发的不断深入，深井、超深井也越来越多，研磨性砂岩、致密碳酸岩以及花岗岩等硬地层的破岩需求对PCD复合片的性能要求越来越高。而PCD复合片的结构直接影响了PCD复合片的耐磨性能、承载能力、抗冲击性能、切削性能。

现有技术中，PCD复合片通常有两种结构形式，分别为球齿和锥齿。球齿结构如申请公布号为CN113427006A的中国发明专利申请公布的一种聚晶金刚石复合片及其制备方法，聚晶金刚石复合片包括硬质合金基体和覆盖在硬质合金基体顶端的聚晶金刚石层，聚晶金刚石层的形状为半球面形，聚晶金刚石复合片沿轴向各处的受力方向不同并能够相互抵消一部分力，使得聚晶金刚石复合片的结构稳定，抗冲击能力强。但是由于半球面形的聚晶金刚石层的表面光滑过渡，聚晶金刚石层上无切削面，聚晶金刚石复合层与岩土之间的接触面积大，导致聚晶金刚石复合片受到的切削阻力大、摩擦力较大，聚晶金刚石层与硬质合金基体之间易出现脱层的情况。

而上述申请公布号为CN113427006A的中国发明专利申请同时公开了一种锥齿结构的PCD复合片，锥齿结构的聚晶金刚石复合片的聚晶金刚石层的形状为一整个圆锥面，由于聚晶金刚石层的顶部比较尖，聚晶金刚石复合片的切削阻力较小。但是由于聚晶金刚石层为一整个圆锥面，且聚晶金刚石复合片的锥面仅能承受周围岩土对其单方向的作用力，使得聚晶金刚石复合片上存在大面积应力集中区域而易出现断齿，降低聚晶金刚石复合齿的使用寿命。

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，以解决现有技术中球齿结构的PCD复合片易脱层、锥齿结构的PCD复合片易断齿的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型聚晶金刚石复合片的技术方案是：

聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和覆盖在硬质合金基体上方的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的外周面沿其轴向分为至少两段弯曲工作面，所有弯曲工作面的纵剖外轮廓均为凸向聚晶金刚石复合片外侧的曲线，任意相邻两段弯曲工作面之间形成凹槽，各弯曲工作面均自下而上向聚晶金刚石复合片轴线靠拢，而形成锥形结构的聚晶金刚石层。

有益效果是：本实用新型的聚晶金刚石复合片中，所有自下而上向聚晶金刚石复合片轴线靠拢的弯曲工作面共同构成锥形结构的聚晶金刚石层，同时所有弯曲工作面的纵剖外轮廓均为曲线，即本实用新型的聚晶金刚石复合片结合了现有技术中聚晶金刚石复合片的锥齿结构和球齿结构，锥形结构的聚晶金刚石层与岩土的接触面积较小、切削阻力小，能够减少脱层情况的发生，同时，聚晶金刚石复合片轴向各处的受力方向均不同，能够避免聚晶金刚石复合片上存在大面积应力集中区域，从而减少断齿情况的发生。再者，任意相邻两段弯曲工作面之间的凹槽能够容纳聚晶金刚石复合片前端向后输送的岩土、进而向后排出，提高钻头的排屑能力。

进一步地改进，所有弯曲工作面的纵剖外轮廓均为凸向聚晶金刚石复合片外侧的圆弧曲线。

有益效果是：圆弧曲线中上下对称位置处的受力方向关于圆弧曲线中心位置处的法线对称，这样设计，能够抵消一部分受力，减小聚晶金刚石复合片的整体受力，提高抗冲击性能。

进一步地改进，任意相邻两段弯曲工作面中，位于上方的弯曲工作面的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径大于或等于位于下方的弯曲工作面的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径。

有益效果是：这样设计，聚晶金刚石层整体的曲率自下而上逐渐减小，使得聚晶金刚石层的上端较尖，以进一步降低聚晶金刚石复合片的切削阻力、提高切削性能。

进一步地改进，弯曲工作面的数量不大于四段。

有益效果是：由于任意相邻两段弯曲工作面之间会形成凹槽，这样设计，避免聚晶金刚石复合片上的凹槽过多而使得凹槽内残留过多积屑、降低排屑效率。

进一步地改进，任意相邻两段弯曲工作面直接相交。

进一步地改进，聚晶金刚石层的最上端设有凸向正上方的过渡圆弧面。

有益效果是：这样设计，增加聚晶金刚石层与工作环境的接触面积，提高聚晶金刚石复合片的抗冲击性能。

进一步地改进，硬质合金基体和聚晶金刚石层采用烧结成型法加工成一体。

有益效果是：烧结成型法为现有技术中成熟工艺，加工效率高。

进一步地改进，聚晶金刚石层与硬质合金基体之间设有金属层，金属层连接聚晶金刚石层和硬质合金基体。

有益效果是：这样设计，能够通过金属层缓冲金刚石层和硬质合金基体，有利于烧结成型，且能够提高聚晶金刚石复合片的抗冲击性和热稳定性。

附图说明

图1为本实用新型聚晶金刚石复合片的分层示意图；

图2为本实用新型聚晶金刚石复合片在实施例1中的结构示意图；

图3为本实用新型的聚晶金刚石复合片在实施例2中的结构示意图。

图中：11、聚晶金刚石层；12、硬质合金基体；13、第一圆弧面；14、第二圆弧面；15、过渡圆弧面；16、第三圆弧面；17、第四圆弧面；18、第五圆弧面；19、凹槽；20、金属层。

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了，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，可能出现的术语如“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实际的关系或者顺序。而且，可能出现的术语如“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……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合实施例对本实用新型作进一步地详细描述。

本实用新型的聚晶金刚石复合片的实施例1：

如图1所示，聚晶金刚石复合片(即PCD复合片)包括硬质合金基体12和覆盖在硬质合金基体12上方的聚晶金刚石层11，聚晶金刚石层11与硬质合金基体12之间设有金属层20。加工时，金刚石粉末和金属粉末在粘接剂的辅助下与硬质合金基体12通过烧结成型法加工成一体，形成聚晶金刚石层11和金属层20，金属层20连接聚晶金刚石层11和硬质合金基体12，以提高聚晶金刚石复合片的抗冲击性和热稳定性。在其他实施例中，聚晶金刚石复合片可以采用电火花加工。

在使用前，先将聚晶金刚石复合片安装在齿柱的安装孔内，使得聚晶金刚石复合片的前端露出，以作为切削元件使用。本实施例中，齿柱的直径为19.05mm。

如图2所示，聚晶金刚石层11的外周面沿其轴向分为两段弯曲工作面，分别为位于下方的第一圆弧面13和位于上方的第二圆弧面14，第一圆弧面13和第二圆弧面14自下而上逐渐向聚晶金刚石复合片轴线靠拢而形成锥形结构，以减少聚晶金刚石复合片与岩土的接触面积、减小钻进阻力，从而减少聚晶金刚石层11与硬质合金基体12脱层情况的发生。本实施例中，第一圆弧面13和第二圆弧面14直接相交而形成凹槽19，有利于聚晶金刚石复合片前端的岩土排向凹槽19、进而排出。

第一圆弧面13和第二圆弧面14的纵剖外轮廓为凸向聚晶金刚石复合片外侧的圆弧曲线，使得聚晶金刚石层11在轴向上各处的受力方向不同，能够避免聚晶金刚石复合片上存在大面积应力集中区域，从而减少断齿情况的发生、提高聚晶金刚石复合片的使用寿命。同时，由于圆弧曲线在上下对称位置处的受力方向关于圆弧曲线中心位置处的法线对称，使得聚晶金刚石复合片上的受力能够抵消一部分，而减小聚晶金刚石复合片的整体受力，提高抗冲击性能。

第一圆弧面13的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径小于第二圆弧面14的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径，这样，聚晶金刚石层11整体的曲率自下而上逐渐减小，使得聚晶金刚石复合片的上端较尖，以进一步减小聚晶金刚石复合片的切削阻力。本实施例中，第一圆弧面13的曲率半径R为8～10mm，第二圆弧面14的曲率半径R为10～30mm。

锥形结构聚晶金刚石层11的最上端设有凸向正上方的过渡圆弧面15，以增加聚晶金刚石复合片和工作环境的接触面积，提高聚晶金刚石复合片的抗冲击性能。本实施例中，过渡圆弧面15的曲率半径R为1.5～3.0mm。

本实用新型的聚晶金刚石复合片中，第一圆弧面13和第二圆弧面14自下而上向聚晶金刚石复合片轴线靠拢而形成锥形结构的聚晶金刚石层11，且第一圆弧面13和第二圆弧面14的纵剖外轮廓均为圆弧曲线，即本实用新型的聚晶金刚石复合片结合了现有技术中聚晶金刚石复合片的锥齿结构和球齿结构，锥形结构的聚晶金刚石复合片与岩土的接触面积较小、切削阻力小，能够减少脱层情况的发生，同时，聚晶金刚石复合片轴向各处的受力方向均不同，能够避免聚晶金刚石复合片上存在大面积应力集中区域，从而减少断齿情况的发生。再者，任意相邻两段弯曲工作面之间形成凹槽19，便于聚晶金刚石复合片前端的岩土向后排出，提高钻头的排屑能力。

本实用新型的聚晶金刚石复合片的实施例2：

本实施例和实施例1的区别在于：实施例1中，聚晶金刚石层11的外周面沿其轴向分为两段弯曲工作面，分别为位于上方的第一圆弧面13和位于下方的第二圆弧面14。本实施例中，如图3所示，聚晶金刚石层11的外周面沿其轴向分为三段弯曲工作面，分别为自下而上依次分布的第三圆弧面16、第四圆弧面17和第五圆弧面18，第三圆弧面16的曲率半径R为8～10mm，第四圆弧面17的曲率半径R为10～30mm，第五圆弧面18的曲率半径R为20～50mm，此时，过渡圆弧面15的曲率半径R为1.5～3.0mm。在其他实施例中，聚晶金刚石层11可以包括四段弯曲工作面，也可以根据实际钻头尺寸设计不同数量的弯曲工作面。

本实用新型的聚晶金刚石复合片的实施例3：

本实施例和实施例1的区别在于：实施例1中，所有弯曲工作面的纵剖外轮廓均为凸向聚晶金刚石复合片外侧的圆弧曲线。本实施例中，弯曲工作面的纵剖外轮廓为凸向聚晶金刚石复合片外侧的椭圆曲线。

本实用新型的聚晶金刚石复合片的实施例4：

本实施例和实施例1的区别在于：实施例1中，位于上方的第二圆弧面14的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径大于或等于位于下方的第一圆弧面13的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径。本实施例中，位于上方的第二圆弧面14的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径小于位于下方的第一圆弧面13的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径，在其他实施例中，位于上方的第二圆弧面14的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径也可以等于位于下方的第一圆弧面13的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径。

本实用新型的聚晶金刚石复合片的实施例5：

本实施例和实施例1的区别在于：实施例1中，任意相邻两段弯曲工作面直接相交。本实施例中，任意相邻两段弯曲工作面之间通过相切圆弧过渡。

最后需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体（12）和覆盖在硬质合金基体（12）上方的聚晶金刚石层（11），其特征在于，所述聚晶金刚石层（11）的外周面沿其轴向分为至少两段弯曲工作面，所有弯曲工作面的纵剖外轮廓均为凸向聚晶金刚石复合片外侧的曲线，任意相邻两段弯曲工作面之间形成凹槽（19），各弯曲工作面均自下而上向聚晶金刚石复合片轴线靠拢，而形成锥形结构的聚晶金刚石层（11）。

2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所有弯曲工作面的纵剖外轮廓均为凸向聚晶金刚石复合片外侧的圆弧曲线。

3.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，任意相邻两段弯曲工作面中，位于上方的弯曲工作面的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径大于或等于位于下方的弯曲工作面的纵剖外轮廓的圆弧曲线的曲率半径。

4.根据权利要求1或2或3所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述弯曲工作面的数量不大于四段。

5.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述任意相邻两段弯曲工作面直接相交。

6.根据权利要求1或2或3所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层（11）的最上端设有凸向正上方的过渡圆弧面（15）。

7.根据权利要求1或2或3所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述硬质合金基体（12）和聚晶金刚石层（11）采用烧结成型法加工成一体。

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