一种油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片及其制备方法，该聚晶金刚石复合片由硬质合金基体和设在硬质合金基体上的聚晶金刚石层组成；其中：聚晶金刚石层包括表层和至少一个过渡层；每个过渡层的金刚石颗粒包括2个主粒度，其中粒径细的主粒度分布与表层的主粒度分布或前一过渡层的粒径粗的主粒度分布至少部分重合；硬质合金基体靠近聚晶金刚石层的一端设有钴梯度层，钴梯度层的钴含量沿靠近聚晶金刚石层的方向梯度下降。本发明专利技术采用过渡层双主粒度设计，且设计表层与过渡层以及过渡层之间的主粒度分布至少部分重合，以及降低硬质合金基体界面附近钴含量，提高了聚晶金刚石复合片的抗冲击性。金刚石复合片的抗冲击性。金刚石复合片的抗冲击性。

【技术实现步骤摘要】
一种油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片及其制备方法


[0001]本专利技术涉及超硬材料
，尤其涉及一种油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片及其制备方法。

技术介绍

[0002]聚晶金刚石复合片是将金刚石粉末与硬质合金基体通过各种零件组装在一起，高温超高压烧结而成。它兼具了金刚石硬度高、耐磨性好和硬质合金抗冲击性、可焊性好的优点，是油气钻探用金刚石钻头最重要的切削元件，其性能的好坏直接影响金刚石钻头的钻进效率和使用寿命。金刚石钻头在钻遇含砾或软硬交错等复杂难钻地层时，作为切削元件的聚晶金刚石复合片往往不适应非均质地层的变化，出现早期冲击损坏而影响使用效果。对于含砾地层，聚晶金刚石复合片在切削砾石时，容易产生崩片、碎裂等现象，是造成金刚石钻头切削元件早期损坏的主要原因；对于软硬交错地层，金刚石钻头在从软地层钻至硬夹层时，钻头冠部轮廓结构使得钻头不同部位的复合片切削地层时受力不均，造成蹩钻、跳钻现象，从而导致复合片受力加大而崩片或者破碎。因此，这类地层对聚晶复合片的抗冲击性提出了更高要求。
[0003]对于油气钻探用聚晶金刚石复合片而言，聚晶金刚石层的金刚石颗粒粒度越细耐磨性越好、抗冲击性越差，粒度越粗抗冲击性越好、耐磨性越差，二者是一对矛盾体。现有技术主要是通过设计细颗粒金刚石的表层和粗颗粒金刚石的过渡层以改善复合片整体的抗冲击性能。然而，高压下粗颗粒金刚石更容易挤压产生缺陷或破碎，从而降低了抗冲击性的提升效果。此外，由于金刚石与硬质合金基体之间较大的热膨胀系数、弹性模量等热物性能差异，导致二者烧结成一体之后会产生较大的残余应力，对聚晶金刚石复合片的抗冲击性产生不利影响。在金刚石复合片制备过程中，由于金刚石粉料粒度较细，在混配料和组装过程中不可避免地吸附各种气体及杂质，降低其表面洁净度和活性，最终影响烧结质量、D～D键合和产品综合性能。

技术实现思路

[0004]为了提高聚晶金刚石复合片的抗冲击性，本专利技术一方面通过设计聚晶金刚石层的粒度配比，在保证一定耐磨性的前提下，提高聚晶金刚石复合片的抗冲击性；另一方面，本专利技术通过降低硬质合金基体在界面处的钴含量来减小硬质合金基体与聚晶金刚石层之间热膨胀系数、弹性模量的差异，进而降低残余应力对聚晶金刚石复合片抗冲击性的不利影响。
[0005]本专利技术提供的技术方案具体如下：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片，由硬质合金基体和设在硬质合金基体上的聚晶金刚石层组成；其中：
[0007]所述聚晶金刚石层包括表层和至少一个过渡层；每个过渡层的金刚石颗粒包括2个主粒度，其中粒径细的主粒度分布与表层的主粒度分布或前一过渡层的粒径粗的主粒度
分布至少部分重合；
[0008]所述硬质合金基体靠近所述聚晶金刚石层的一端设有钴梯度层，所述钴梯度层的钴含量沿靠近所述聚晶金刚石层的方向梯度下降，所述钴梯度层在邻接聚晶金刚石层的界面处的钴含量为钴梯度层外硬质合金基体的60wt％～90wt％。
[0009]本专利技术每个过渡层的金刚石颗粒包括2个主粒度，其中粒径细的主粒度与表层或前一过渡层的1个主粒度至少部分重合，相邻两层由于主粒度分布有重合或者相近，结合强度增加，聚晶金刚石复合片整体的抗冲击强度提高。
[0010]本专利技术在硬质合金基体靠近聚晶金刚石层的一端设置钴梯度层，钴梯度层在邻接聚晶金刚石层的界面处的钴含量为钴梯度层外硬质合金基体的60wt％～90wt％，钴梯度层越靠近界面浓度越低，膨胀系数越低，弹性模量越大，与聚晶金刚石层的热膨胀系数和弹性模量的差异越小，真空高温高压烧结产生的残余应力越小，残余应力对聚晶金刚石复合片抗冲击性的不利影响越小。本专利技术使钴梯度层以外的基体保持正常钴含量，保证了基体整体的断裂韧性和可钎焊性。
[0011]在本专利技术提供的一些实施方式中，每个过渡层包括2个主粒度，2个主粒度的D50差为15～35微米。
[0012]在本专利技术提供的一些实施方式中，所述粒径细的主粒度占所处过渡层的30wt％～60wt％。
[0013]在本专利技术提供的一些实施方式中，所述表层主粒度的粒度分布曲线呈单峰形状，且粒度分布满足
[0014]在本专利技术提供的一些实施方式中，所述过渡层的主粒度由粗细两种粒度按3:1～0.5:1的质量比混合而成，细粒径为10～60微米，粗粒径为30～80微米，混合前每种粒度的粒度分布特征与表层主粒度相同，混合后粒度分布曲线呈双峰形状。
[0015]在本专利技术提供的一些实施方式中，所述聚晶金刚石层由表层和第一过渡层组成；所述表层的主粒度为A1，第一过渡层的的主粒度为B1和C1，A1和B1均小于C1，且A1和B1至少部分重合。
[0016]在本专利技术提供的一些实施方式中，A1为10～40微米，B1为10～40微米，C1为30～60微米，优选的，A1为20～30微米，B1为20～30微米，C1为50～60微米。
[0017]在本专利技术提供的一些实施方式中，所述聚晶金刚石层由表层、第一过渡层、第二过渡层组成；所述表层的主粒度为A2，第一过渡层的的主粒度为B2和C2，第二过渡层的金刚石颗粒包括主粒度D和主粒度E，A2和B2均小于C2，C2和D均小于E，且A2和B2至少部分重合，C2和D至少部分重合。
[0018]在本专利技术提供的一些实施方式中，A2为10
‑
40微米，B2为10
‑
60微米，D为10
‑
60微米，C2为30
‑
80微米，E为30
‑
80微米，优选的，A2为15～25微米，B2为10～20微米，C2为30～40微米，D为30～40微米，E为60～80微米。
[0019]在本专利技术提供的一些实施方式中，钴梯度层外硬质合金基体的钴含量为10wt％～16wt％。
[0020]在本专利技术提供的一些实施方式中，所述钴梯度层的厚度为0.5～5.0mm。
[0021]第二方面，本专利技术提供一种制备上述油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片的方
法，包括：
[0022]将钴含量为10wt％～16wt％的硬质合金基体置于渗碳气氛中，1000～1400℃下处理60～240min，形成钴梯度层；
[0023]对聚晶金刚石层的粉料进行高温还原，获得净化的聚晶金刚石层粉料；
[0024]将净化的聚晶金刚石层粉料、硬质合金基体及各种组装元件进行内、外组装，形成外合成模；
[0025]将外合成模放入六面顶压机，真空高温高压烧结，获得聚晶金刚石复合片。
[0026]本专利技术在制备过程中对粉料高温还原净化处理和内合成模真空高温活化处理，能有效提升粉料的洁净度及烧结活性，以提高聚晶金刚石层的烧结质量和D～D键合的致密度。
[0027]本专利技术提供的油气钻探用聚晶金刚石复合片，具有以下有益效果：
[0028]1、聚晶金刚石层表层主粒度采用细粒度金刚石颗粒作为耐磨层，过渡层主粒度采用粗细混合呈双峰分布的金刚石颗粒作为抗冲层，过渡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片，由硬质合金基体和设在硬质合金基体上的聚晶金刚石层组成；其特征在于：所述聚晶金刚石层包括表层和至少一个过渡层；每个过渡层的金刚石颗粒包括2个主粒度，其中粒径细的主粒度分布与表层的主粒度分布或前一过渡层的粒径粗的主粒度分布至少部分重合；所述硬质合金基体靠近所述聚晶金刚石层的一端设有钴梯度层，所述钴梯度层的钴含量沿靠近所述聚晶金刚石层的方向梯度下降，所述钴梯度层在邻接聚晶金刚石层的界面处的钴含量为钴梯度层外硬质合金基体的60wt％～90wt％。2.根据权利要求1所述的油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片，其特征在于：每个过渡层包括2个主粒度，2个主粒度的D50差为15～35微米。3.根据权利要求1所述的油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述粒径细的主粒度占所处过渡层的30wt％～60wt％。4.根据权利要求1所述的油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述表层主粒度的粒度分布曲线呈单峰形状，且粒度分布满足5.根据权利要求1所述的油气钻探用高抗冲击聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述过渡层的主粒度由粗细两种粒度按3:1～0.5:1的质量比混合而成，细粒径为10～60微米，粗粒径为30～80微米，混合前每种粒度的粒度分布特征与表层主粒度相同，混合后粒度分布曲线呈双峰形状。6.根据权利要求1所述的油气钻探用高抗...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶道辉，刘洋，徐磊，王晋春，陈文婷，许林，汪宏菊，
申请(专利权)人：中石化石油机械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：