聚晶金刚石硬质合金复合片基体、复合片及其制备方法

摘要

本发明公开了一种聚晶金刚石硬质合金复合片基体，包括：硬质合金圆柱体；包覆于所述硬质合金圆柱体底面和侧面的硬质合金包覆层，所述硬质合金圆柱体的硬度小于硬质合金包覆层的硬度。与现有技术相比，由于硬质合金圆柱体的硬度小于硬质合金包覆层的硬度，因此，该基体的外层硬度较高、耐磨性较好，而芯部韧性较好、抗冲击强度较高，从而比现有的复合片整体耐磨性更好、抗冲击韧性更强，复合片的使用寿命更长，实现了硬质合金体表面硬度和强度、抗冲击韧性和耐磨性的有机结合，提高了聚晶金刚石复合片的整体耐磨性和耐冲击性，延长了钻探凿削寿命，降低钻探成本。

说明书

技术领域

本发明涉及聚晶金刚石硬质合金复合片技术领域，更具体地说， 涉及一种聚晶金刚石硬质合金复合片基体、复合片及其制备方法。

背景技术

聚晶金刚石硬质合金复合片由聚晶金刚石层和作为支撑体的硬 质合金基座通过高温高压过程制作而成。其中，聚晶金刚石层具有硬 度高、耐磨性好的特点，而硬质合金则从整体上提高了复合片的韧性 和可焊性。这种复合片被大量用于制作石油、天然气、地质钻头的切 削齿，在钻探以及凿岩过程中将受到交变载荷的反复作用，并且由于 冲击、摩擦的作用使复合片材料的温度急剧变化，其局部温度甚至可 达1000℃以上，对复合片的性能以及使用寿命产生巨大影响。

一般地，评价复合片性能优劣的行业标准往往集中在耐磨性、耐 热性和耐冲击性这三项宏观指标上，现有的研究开发工作大多集中在 复合片的金刚石聚晶层上，而对硬质合金座的性能评价和改进则相对 较少。作为复合片的重要的构成部分，硬质合金基座的结构与性能特 征实际上对整个复合片的使用性能影响巨大。例如，当硬质合金基座 的硬度和耐磨性较小时，钻探时硬质合金基座很可能优先被磨损掉， 而加速整个复合片的破坏；而当其硬度偏高时，在耐磨性增加的同时 其脆性也相应增大，容易导致冲击破裂，一旦在表面形成微裂纹，很 容易在持续的热震冲击和高频的外力冲击作用下，加速扩展和深入延 展到硬质合金内部，从而导致裂纹扩大和最终使复合片开裂。当硬质 合金基座的抗冲击强度和韧性偏低时，复合片可能经受不住钻凿时强 烈而持续的高频冲击，而使复合片的微裂纹等缺陷扩展、加深而导致 复合片的报废；当其抗冲击强度和韧性提高时，其硬度和强度又会受 到限制，并不耐磨损。因此，用于聚晶金刚石硬质合金复合片的硬质 合金基座材料的结构和性能特点与其硬度、强度、耐磨性和韧性紧密 相关。

硬质合金基座绝大多数为均质结构，很难实现硬度、强度、耐磨 性和韧性紧密之间的统一。因此，梯度结构材料的出现，为上述问题 的解决提供了极巧妙的设计思路（刘咏，羊建高.梯度硬质合金材料 设计.长沙：中南大学出版社，2010年.）。譬如，现有技术采用表面 渗碳、渗氮的方法来提高硬质合金基座表面浅层的硬度，提高其表面 的耐磨性能，而芯部仍然具有较好的抗冲击韧性，从而在同一个材料 上实现耐磨性和抗冲击性、硬度和强度的有机结合和协调。

目前具有这样梯度结构硬质合金材料的制作方法很多，但是从已 有的专利和文献报道看来，大都只是简单地集中在硬质合金材料的梯 度化设计和改性上。而实际上，选择用这种表面浅层梯度化的硬质合 金做基座与金刚石微粉通过超高温高压的合成之后，由于催化剂和粘 结剂金属相极快速的扩散迁移，形成的梯度结构很可能被严重破坏而 又回复到均质或近均质的硬质合金结构，从而失去了硬度和韧性、耐 磨性和抗冲击强度的有机结合，影响对复合片的综合使用性能的改善。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种同时具有良好 的硬度、韧性、耐磨性和抗冲击强度的聚晶金刚石硬质合金复合片基 体、复合片及其制备方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种聚晶金刚石硬质合金复 合片基体，包括：

硬质合金圆柱体；包覆于所述硬质合金圆柱体底面和侧面的硬质 合金包覆层，所述硬质合金圆柱体的硬度小于硬质合金包覆层的硬度。

优选的，所述硬质合金圆柱体沿径向形成由内到外逐渐变大的硬 度梯度。

优选的，所述硬质合金圆柱体包括第一硬质合金圆柱体和包覆于 所述第一硬质合金圆柱体侧面的第一硬质合金层，所述第一硬质合金 圆柱体的硬度为86.1HRV，所述第一硬质合金层的硬度为87.3HRV。

优选的，所述硬质合金包覆层包括：

包覆于所述硬质合金圆柱体底面和侧面的第一硬质合金包覆层；

包覆于所述第一硬质合金包覆层外侧的第二硬质合金包覆层，

所述第一硬质合金包覆层的硬度为88.5HRV，所述第二硬质合金 包覆层的硬度为89.2HRV。

优选的，所述硬质合金圆柱体的横截面直径与聚晶金刚石硬质合 金复合片基体的横截面直径的比例为（0.75~0.9）：1。

优选的，所述硬质合金圆柱体与聚晶金刚石硬质合金复合片基体 的高度比为（0.5~0.9）：1。

优选的，所述硬质合金圆柱体的高度为4~8mm。

相应的，本发明还提供一种聚晶金刚石硬质合金复合片，由上述 技术方案所述的聚晶金刚石硬质合金复合片基体和聚晶金刚石层构 成。

本发明还提供一种聚晶金刚石硬质合金复合片的制备方法，包括 以下步骤：

将上述技术方案所述的聚晶金刚石硬质合金复合片基体与聚晶 金刚石层在1350~1650℃，5.0~8.5Gpa的条件下进行烧结，得到聚晶 金刚石硬质合金复合片。

优选的，所述烧结的时间为10分钟。

本发明提供一种聚晶金刚石硬质合金复合片基体，包括：硬质合 金圆柱体；包覆于所述硬质合金圆柱体底面和侧面的硬质合金包覆层， 所述硬质合金圆柱体的硬度小于硬质合金包覆层的硬度。与现有技术 相比，由于硬质合金圆柱体的硬度小于硬质合金包覆层的硬度，因此， 该基体的外层硬度较高、耐磨性较好，而芯部韧性较好、抗冲击强度 较高，从而与现有的复合片相比，具有耐磨性更好、抗冲击韧性更强， 复合片的使用寿命更长的特点，实现了硬质合金体表面硬度和强度、 抗冲击韧性和耐磨性的有机结合，提高了聚晶金刚石复合片的整体耐 磨性和耐冲击性，延长了钻探凿削寿命，降低钻探成本。

附图说明

图1为本发明实施例公开的聚晶金刚石硬质合金复合片结构示意 图；

图2为本发明实施例公开的聚晶金刚石硬质合金复合片剖视图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动 前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开了一种聚晶金刚石硬质合金复合片基体， 包括：硬质合金圆柱体1；包覆于硬质合金圆柱体底面和侧面的硬质 合金包覆层2，硬质合金圆柱体1的硬度小于硬质合金包覆层2的硬 度。

在晶金刚石硬质合金复合片基体中，Co含量的变化会使硬质合金 的硬度相应地发生改变。

在本发明实施例中，作为优选方案，所述硬质合金圆柱体沿径向 形成由内到外逐渐变大的硬度梯度，更优选的，硬质合金沿径向方向 形成等间距或不等间距的硬度由内到外逐级变大的梯度变化。

其中，硬质合金圆柱体1优选包括第一硬质合金圆柱体11和包覆 于第一硬质合金圆柱体11侧面的第一硬质合金层12，第一硬质合金 圆柱体11的硬度为86.1HRV，第一硬质合金层12的硬度为87.3HRV。 硬质合金包覆层2包括：包覆于硬质合金圆柱体1底面和侧面的第一 硬质合金包覆层21，包覆于第一硬质合金包覆层21外侧的第二硬质 合金包覆层22，第一硬质合金包覆层21的硬度为88.5HRV，第二硬 质合金包覆层22的硬度为89.2HRV。从而聚晶金刚石硬质合金复合 片基体形成四层结构，硬度由内向外依次为：86.1HRV、87.3HRV、 88.5HRV和89.2HRV。通过该硬度的梯度变化，保证了复合聚晶金 刚石复合片的抗冲击韧性，同时硬质合金包覆层的高硬度，保证了合 金的耐冲蚀性能，适用于高抗冲击性和高冲蚀性的硬地层钻探。其中， 所述硬质合金圆柱体和硬质合金包覆层中的硬质晶粒分别为碳化钨。

从上述方案可以看出，本发明提供的复合片基片的外层硬度最 高，由外层至芯部硬度逐渐降低，可应用于石油、天然气、地质钻头 的切削部分，用该发明制作的聚晶金刚石复合片比现有的复合片整体 耐磨性更好、抗冲击韧性更强，保证了合金的耐冲蚀性能，适用于高 抗冲击性和高冲蚀性的硬地层钻探。

本发明中，硬质合金圆柱体的横截面直径与聚晶金刚石硬质合金 复合片基体的横截面直径的比例为（0.75~0.9）：1，更优选为（0.8~0.9）： 1；所述硬质合金圆柱体与聚晶金刚石硬质合金复合片基体的高度比为 （0.5~0.9）：1，更优选为（0.6~0.8）：1。本发明硬质合金圆柱体的高 度优选为4~8mm，更优选为5~7mm。

相应的，本发明还提供一种聚晶金刚石硬质合金复合片，如图1 所示，由上述技术方案所述的聚晶金刚石硬质合金复合片基体和聚晶 金刚石层3构成。

聚晶金刚石硬质合金复合片基体和聚晶金刚石层的结合面可以 为非平面，优选为波纹槽、锯齿槽、阵列式方台、阵列式梯形台、阵 列式圆柱或圆锥体。在此情况下，聚晶金刚石层的厚度可以是 0.2~3.0mm，即可为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、 0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、 1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、 2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm。

或者，聚晶金刚石层与硬质合金座之间的结合面也可以为平面。 在此情况下，聚晶金刚石层的厚度可以是0.2~1.2mm，即可为0.2mm、 0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、 1.1mm或1.2mm。

上述聚晶金刚石硬质合金复合片优选采用以下制备方法，包括以 下步骤：将上述技术方案所述的聚晶金刚石硬质合金复合片基体与聚 晶金刚石层在1350~1650℃，5.0~8.5Gpa的条件下进行烧结，得到聚 晶金刚石硬质合金复合片。其中，烧结温度优选为1400~1600℃，更 优选为1450~1550℃；烧结压力优选为5.5~8Gpa，更优选为6~7Gpa； 烧结时间优选为10~20分钟，更优选为10分钟。

综上所述，本发明提供了一种聚晶金刚石硬质合金复合片基体， 其具有较厚外层且硬度较高、耐磨性较好，而芯部韧性较好、抗冲击 强度较高的双层异结构特征。将聚晶金刚石硬质合金复合片基体用于 聚晶金刚石复合片的高温高压合成时，即使经过超高压高温烧结合成 仍能很好地保存和保留预先设计的梯度结构特征，从而制作出可同时 实现对硬质合金体表面硬度和强度、抗冲击韧性和耐磨性有机结合的 高品质复合片产品，以提高聚晶金刚石复合片的整体耐磨性、耐冲击 性，并达到延长钻探凿削寿命和降低钻探成本等目的。

为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优 选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本 发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

取硬质合金基座，其直径为19mm，高13mm，其中的部位1包 括直径为17mm，自聚晶层界面朝下8mm的同心圆柱区域，采用含 16%Co作为粘结剂的硬质合金材料；部位2采用含13%Co作为粘结 剂的硬质合金材料，所述硬质合金基座的形成沿径向形成由内到外逐 渐变大的硬度梯度，聚晶金刚石硬质合金复合片基体形成四层结构， 硬度由内向外依次为：86.1HRV、87.3HRV、88.5HRV和89.2HRV；

将金刚石微粉装好成块后，上六面顶压机在1500oC，5.5Gpa的 条件下烧结10分钟而结合在硬质合金基座上，得到金刚石聚晶层3 组成的复合片，这样制作成的聚晶复合片合金耐磨性和抗冲击性能均 大大提高，使用寿命得到显著延长。

对本实施例提供的硬质合金基座的硬度与抗冲击强度值等性能 进行检测，结果如表1所示。

实施例2

取硬质合金基座，其直径为13mm，高8mm，其中的部位1包括 直径为10mm，自聚晶层界面朝下4mm的同心圆柱区域，其中的部位 1采用含18%Co作为粘结剂的硬质合金材料，部位2采用含10%Co 作为粘结剂的硬质合金材料；所述硬质合金基座的形成沿径向形成由 内到外逐渐变大的硬度梯度，聚晶金刚石硬质合金复合片基体形成四 层结构，硬度由内向外依次为：86.1HRV、87.3HRV、88.5HRV和 89.2HRV。

将金刚石微粉装好成块后，上六面顶压机在1450℃，6.5Gpa的条 件下烧结12分钟而结合在硬质合金基座上，得到金刚石聚晶层3组成 的复合片，这样制作成的聚晶复合片合金耐磨性和抗冲击性能均大大 提高，使用寿命得到显著延长。

对本实施例提供的硬质合金基座的硬度与抗冲击强度值等性能 进行检测，结果如表1所示，表明本实施例提供的金刚石硬质合金复 合片基体适用于钻探软地层。

表1实施例1~2提供的硬质合金基座性能结果

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现 或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来 说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的 精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现 或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来 说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的 精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被 限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新 颖特点相一致的最宽的范围。