鉆探用金剛石復(fù)合片基體制備方法及復(fù)合片基體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種硬質(zhì)合金產(chǎn)品及其制作方法，具體涉及一種金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金基體及其制備，屬金剛石/硬質(zhì)合金復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
[0002]【背景技術(shù)】:
金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact,簡稱F1DC)是由金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體在超高壓條件下燒結(jié)而成的一種層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合超硬材料，采用金剛石復(fù)合片作為巖石切削齒的復(fù)合片鉆頭已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣鉆井行業(yè)。目前一般采用鈷含量在15-16%的鎢鈷硬質(zhì)合金作為鉆探用金剛石復(fù)合片的基體，以確保金剛石微粉在高壓燒結(jié)時(shí)基體有足夠的鈷擴(kuò)散進(jìn)入金剛石層，促進(jìn)其燒結(jié)，并使硬質(zhì)合金基體與金剛石層牢固結(jié)合。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，金剛石復(fù)合片在鉆進(jìn)過程中至始至終都需要泥漿來進(jìn)行冷卻，泥漿與夾雜其中的巖肩對(duì)復(fù)合片的不斷沖刷常常使得復(fù)合片的硬質(zhì)合金基體部分率先磨損，導(dǎo)致金剛石層失去支撐而崩缺。因此，作為金剛石復(fù)合片組成部分之一的硬質(zhì)合金基體不但要有較高的抗沖擊韌性，還應(yīng)具有足夠的耐磨性。隨著鉆井深度與鉆進(jìn)地層硬度的增加，對(duì)復(fù)合片合金基體耐磨性的要求也越來越高?，F(xiàn)有的硬質(zhì)合金基體難以滿足需要，因此很有必要對(duì)此加以改進(jìn)。
[0003]通過專利檢索沒發(fā)現(xiàn)有與本發(fā)明相同技術(shù)的專利文獻(xiàn)報(bào)道，與本發(fā)明有一定關(guān)系的專利主要有以下幾個(gè):
1、專利號(hào)為CN201310530290，名稱為“一種合成聚晶金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金基體”的發(fā)明專利，該專利公開了一種用于合成聚晶金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金基體，其中，硬質(zhì)合金基體中用于與金剛石的結(jié)合面為弧形面，且弧形面上設(shè)置有均勻分布的凸起。本申請(qǐng)中通過將硬質(zhì)合金基體中與金剛石結(jié)合的結(jié)合面設(shè)置為弧形面，并在弧形面上設(shè)置凸起，設(shè)置的弧形面一方面增加了金剛石層與硬質(zhì)合金基體的接觸面積，以減小單位接觸面上的殘余應(yīng)力，還減小了合成聚晶金剛石復(fù)合片過程中的橫向壓力梯度，從而改善了復(fù)合片中的殘余熱應(yīng)力分布。
[0004]2、專利號(hào)為CN201320220994，名稱為“一種用于聚晶金剛石復(fù)合片的柱狀硬質(zhì)合金基體”的實(shí)用新型專利，該專利公開了一種用于聚晶金剛石復(fù)合片的柱狀硬質(zhì)合金基體，在基體的上端面設(shè)有一個(gè)或多個(gè)凸起，各凸起為呈同心的環(huán)狀凸起；上端面邊緣有一個(gè)或多個(gè)環(huán)狀間隔分布的下沉溝槽，所述下沉溝槽之間是面對(duì)稱或中心對(duì)稱，相鄰兩個(gè)突起之間構(gòu)成環(huán)形凹槽。
[0005]3、專利號(hào)為CN201120149569，名稱為“一種人造金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金基體”的實(shí)用新型專利，該專利公開了一種人造金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金基體，該基體整體呈圓柱形，其一個(gè)端面為平面，另一個(gè)端面的中間部分為穹形凸臺(tái)，該穹形凸臺(tái)的兩端分別具有一個(gè)V型槽。該實(shí)用新型的人造金剛石復(fù)合片用硬質(zhì)合金基體具有特殊槽型結(jié)構(gòu)，從而有效提高該類產(chǎn)品的綜合使用性能，并降低其材料消耗。
[0006]4、專利號(hào)為CN201220551569，名稱為“一種人造金剛石球齒復(fù)合片用平臺(tái)型硬質(zhì)合金基體”的發(fā)明專利，該專利公開了一種人造金剛石球齒復(fù)合片用平臺(tái)型硬質(zhì)合金基體，它包括有圓柱形底座和斷面為梯形的圓臺(tái)，所述的斷面為梯形的圓臺(tái)頂部為平臺(tái)，所述的平臺(tái)的邊緣處向下為大圓弧過渡面，所述的大圓弧過渡面下端連接圓臺(tái)面的上端。所述的圓臺(tái)面的下端與小圓弧過渡面上端連接，所述小圓弧過渡面下端與所述圓柱形底座的上端環(huán)面連接。該專利利用這種硬質(zhì)合金基體生產(chǎn)的梯形臺(tái)齒及與其類似形狀齒在內(nèi)的多種異型人造金剛石球齒復(fù)合片，其金剛石層厚度均勻，內(nèi)在殘余應(yīng)力低，產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性均有顯著提高。
[0007]上述這些專利雖然都涉及到聚晶金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金基體，但都沒有提出如何改進(jìn)硬質(zhì)合金基體耐磨性的問題，因此仍沒有解決實(shí)際應(yīng)用中那種復(fù)合片的硬質(zhì)合金基體部分率先磨損，導(dǎo)致金剛石層失去支撐而崩缺的問題，因此仍有待進(jìn)一步加以改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有聚晶金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金基體部分率先磨損，導(dǎo)致金剛石層失去支撐而崩缺的不足，提出一種耐磨性更好，同時(shí)又能保證基體與金剛石層牢固結(jié)合的硬質(zhì)合金基體，該硬質(zhì)合金基體的耐磨性可顯著提高，從而提高金剛石復(fù)合片的使用壽命。
[0009]為了達(dá)到這一目的，本發(fā)明提供了一種鉆探用金剛石復(fù)合片基體制備方法及硬質(zhì)合金基體。根據(jù)研宄發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金基體在經(jīng)受復(fù)合片制備過程的高溫高壓后，其中的部分金屬鈷會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入金剛石層，特別是靠近聚晶金剛石層部分的鈷含量明顯降低，大約減少2-3個(gè)百分點(diǎn)，而離界面3毫米以上區(qū)域測出的合金鈷含量則與高溫高壓前一致，為了保證聚晶金剛石層界面與硬質(zhì)合金基體結(jié)合的強(qiáng)度，通常的做法是采用鈷含量在15-16%之間的硬質(zhì)合金做基體，但是這樣一來就使得硬質(zhì)合金基體整體的硬度和耐磨性下降，特別是離界面2毫米以上區(qū)域的硬質(zhì)合金基體容易出現(xiàn)磨損凹陷，當(dāng)凹陷達(dá)到一定程度就可能發(fā)生金剛石層的邊緣因失去有效支撐而崩缺。為此，本發(fā)明所采取的改進(jìn)方案就是:一種鉆探用金剛石復(fù)合片基體制備方法，將與聚晶金剛石層相結(jié)合的硬質(zhì)合金基體分層兩層，其中一層為與聚晶金剛石層相結(jié)合的上基體層，另一層為下基體層；硬質(zhì)合金上基體層與硬質(zhì)合金下基體層通過壓制燒結(jié)結(jié)合成一個(gè)整體；為保證聚晶金剛石層界面與硬質(zhì)合金基體結(jié)合可靠，硬質(zhì)合金上基體層采用高含鈷量配方，同時(shí)為了增加硬質(zhì)合金基體后部的硬度和耐磨性，硬質(zhì)合金下基體層采用低含鈷量配方，使得硬質(zhì)合金上基體層的鈷含量高于硬質(zhì)合金下基體層的鈷含量，且通過控制硬質(zhì)合金上基體層與硬質(zhì)合金下基體層的厚度和碳化鎢材料的顆粒大小，使得硬質(zhì)合金表面基體的整體硬度和耐磨性提高。
[0010]進(jìn)一步地，所述的使得硬質(zhì)合金上基體層的鈷含量高于硬質(zhì)合金下基體層的鈷含量是硬質(zhì)合金上基體層的鈷含量高于硬質(zhì)合金下基體層的含量2-3個(gè)百分點(diǎn)，以保證聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體在超高壓條件下燒結(jié)而成的一種層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合超硬材料后，與聚晶金剛石層相結(jié)合的硬質(zhì)合金基體界面的鈷含量與硬質(zhì)合金下基體層基本是一致的。
[0011]進(jìn)一步地，所述的硬質(zhì)合金上基體層的鈷含量為15-16%，硬質(zhì)合金下基體層的鈷含量為11-13%，使得聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基體既能順利燒結(jié)成型，又能保證硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)度和耐磨性。
[0012]進(jìn)一步地，所述的控制硬質(zhì)合金上基體層與硬質(zhì)合金下基體層的厚度是將硬質(zhì)合金上基體層的厚度控制在2.5-4.0mm之間，而硬質(zhì)合金下基體層的厚度可以根據(jù)產(chǎn)品的需要任意確定。
[0013]進(jìn)一步地，所述的控制碳化鎢材料的顆粒大小是將硬質(zhì)合金上基體層的WC粒度控制在1.0-1.5微米，將硬質(zhì)合金下基體層的WC粒度控制在2-6微米。
[0014]一種按照上述鉆探用金剛石復(fù)合片基體制備方法制作的復(fù)合片基體，復(fù)合片基體為硬質(zhì)合金基體，其特點(diǎn)在于，硬質(zhì)合金基體分為兩層，其中一層為與聚晶金剛石層相結(jié)合的上基體層，另一層為下基體層；硬質(zhì)合金上基體層與硬質(zhì)合金下基體層通過壓制燒結(jié)結(jié)合成一個(gè)整體。
[0015]進(jìn)一步地，所述的硬質(zhì)合金上基體層的鈷含量為15-16% ;硬質(zhì)合金上基體層的厚度控制在2-4mm之間；硬質(zhì)合金上基體層的WC粒度控制在1.0-1.5微米。
[0016]進(jìn)一步地，所述的硬質(zhì)合金下基體層的鈷含量為11-13% ;硬質(zhì)合金下基體層的WC粒度控制在2-6微米。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
本發(fā)明將硬質(zhì)合金基體分為兩層，并采用不同的WC粒度，使得硬質(zhì)合金基體能夠同時(shí)滿足耐磨性和韌性的需求，主要有以下特點(diǎn):
I)采用兩層結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體，在靠近聚晶金剛石層的上基體層采用細(xì)粒度的WC以保證其耐磨性，在下基體層使用較粗的WC以提高基體的抗沖擊韌性。
[0018]2)由于靠近金剛石層部分的硬質(zhì)合金基體鈷含量為15-16%，可保證復(fù)合片的燒結(jié)能順利進(jìn)行。硬質(zhì)合金基體經(jīng)過燒結(jié)，部分鈷流失后，鈷含量仍能保持在13%左右，有利于保證硬質(zhì)合金基體整體的強(qiáng)度。
[0019]3)由于采用了雙層結(jié)構(gòu)，下基體層采用較低的鈷含量(11-13%)合金，可提高基體的耐磨性。
[0020]4)通過控制兩層結(jié)構(gòu)尺寸，使得硬質(zhì)合金上基體層在燒結(jié)后含鈷量基本上與硬質(zhì)合