一種金剛石復合片及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及到一種硬質合金與金剛石的復合材料及其制作方法，具體涉及一種鉆探行業用金剛石復合片及其制備方法，也可廣泛用于其它采用金剛石復合片進行作業的工礦場所，屬金剛石/硬質合金復合材料制備技術領域。
[0002]【背景技術】:
金剛石復合片(Polycrystalline Diamond Compact，簡稱F1DC)是由金剛石微粉與硬質合金基體在高溫(1300-1500° C)超高壓(5-7Gpa)條件下燒結而成的一種層狀結構復合超硬材料，采用金剛石復合片作為巖石切削齒的復合片鉆頭已廣泛應用于石油、煤炭、天然氣開采行業。目前鉆探用金剛石復合片的金剛石層厚度一般在1.0-2.5mm之間，隨著鉆井深度與鉆進地層硬度的增加，對復合片耐磨性與使用壽命的要求也越來越高，增加金剛石層厚度雖有利于提高復合片使用壽命，但金剛石層加厚會使roc邊緣拉應力區寬度成倍增加，還使得roc邊緣界面附近軸向的最大拉應力和最大剪應力顯著加大，造成金剛石層較厚的roc界面容易產生裂紋，降低復合片產品燒結時的合格率。如果裂紋在復合片的使用過程中出現，則可能使金剛石層整體脫落，給鉆井工作造成巨大損失。
[0003]另一方面，我們在深入的研究中發現，早期的復合片金剛石層厚度不超過0.7mm，后來發明了非平面連接技術才使得金剛石層厚度逐步增加，目前可做到2.5mm左右。非平面連接是指硬質合金基體與金剛石層間采用臺階形、槽形或簡單凸凹形等幾何形式聯結。不同的roc界面結構形式，其內部殘余應力的大小與分布規律均不相同。不規則界面結構通過增加接觸面積和特定的結構形式，提高了界面結合力和結構抗剪切的能力，但復雜的界面形狀不可避免的存在局部拉應力集中現象，在沖擊試驗中，這些區域可能因拉應力高度集中而發生界面分離或斷裂。在金剛石復合片的實際應用中，我們發現金剛石復合片在焊接到鉆頭上后，就處于一種固定狀態，鉆進時只是復合片的某一部分在進行巖石切削工作。因此，在金剛石復合片工作過程中，各部分的受力和磨損狀況是不一樣的，如果我們只是簡單的在硬質合金基體上復合一層厚度相同的金剛石層，則并不能使得整個金剛石層發揮應有的作用，而且根據各部分的受力情況，對金剛石復合片的性能要求實際上是不一樣的，如果都將金剛石層加厚，反而容易出現界面裂紋的風險；因此，有必要對金剛石復合片的結構加以改進，在增加金剛石層厚度的同時控制復合片出現界面裂紋的風險。
[0004]通過專利檢索沒發現有與本發明相同技術的專利文獻報道，與本發明有一定關系的專利主要有以下幾個:
1、專利申請號為CN201510508988.7，名稱為“具有防粘附特性的聚晶金剛石復合片”的發明專利，該專利公開了一種具有防粘附特性的聚晶金剛石復合片，包括硬質合金基體和復合于其上的聚晶金剛石層，在聚晶金剛石層的刃面上設置有溝槽結構；溝槽結構包括沿刃面的徑向呈放射狀布置的若干徑向溝槽，若干徑向溝槽將刃面分割成若干個扇區，以及與徑向溝槽連通的若干弧形的周向溝槽，若干周向溝槽以刃面的中心為圓心呈同心分布，相鄰扇區的周向溝槽交錯設置。
[0005]2、專利號為CN201520471001.4，名稱為“一種低切削阻力曲面結構聚晶金剛石復合片”的實用新型專利，該專利公開了一種低切削阻力曲面結構聚晶金剛石復合片，包括聚晶金剛石層及與其相粘結的硬質合金基體;所述聚晶金剛石層為曲面結構；所述曲面結構是由兩斜面成一定夾角構成的屋脊形。該專利技術可有效大幅度降低鉆進切削阻力，延長鉆頭壽命，提高鉆井鉆進效率及鉆井平臺的操作平穩性。同時，可提高復合片的聚晶金剛石層的抗崩裂，有較高的抗沖擊性。
[0006]3、專利申請號為CN201510021969.1，名稱為“一種聚晶金剛石復合片及處理方法”的發明專利，該專利公開了一種聚晶金剛石復合片及處理方法，所述聚晶金剛石復合片包括:硬質合金基底;復合在所述硬質合金基底上的聚晶金剛石層，所述聚晶金剛石層包括脫除殘余金屬層和未脫除殘余金屬層，所述未脫除殘余金屬層位于脫除殘余金屬層和硬質合金基底之間；所述聚晶金剛石層的厚度為1.9mm?2.2mm;脫除殘余金屬層的厚度為30μηι?50μπι;包覆在硬質合金基底底面和全部側面及聚晶金剛石層部分側面的保護層。
[0007]所以上述這些專利雖然都涉及到金剛石復合片及其制作方法，也提出了一些對金剛石復合片的結構性改進，但都沒有從根本上改變現有的金剛石復合片的結合基本結構，都是采取平面基體表面上復合一層金剛石，只是有的金剛石表層的形狀為異形而已，因此都還是存在前面所述的不足，仍有待進一步加以改進。

【發明內容】

[0008]本發明的目的在于針對現有金剛石復合片的金剛石層厚度增加可能導致復合片界面易出現裂紋的不足，提出一種金剛石層更厚而不會產生界面裂紋的金剛石復合片的制備方法，從而提高金剛石復合片的使用壽命，滿足深井鉆探的需求。
[0009]為了達到這一目的，本發明提供了一種金剛石復合片，考慮到鉆探用金剛石復合片一經焊接在鉆頭上，其切削刃的位置就固定不變了，金剛石復合片自始至終只有一小部分在參與巖石的切削作業;因此本發明所提出的技術實施方案是:一種金剛石復合片，包括硬質合金基體和金剛石層，金剛石層復合在硬質合金基體上，其特點是金剛石復合片工作刃口部位的金剛石層厚度大于非刃口部位的金剛石層厚度，只在金剛石復合片的工作刃口部位增加金剛石層的厚度，通過局部增加金剛石層的厚度來改變金剛石復合片的整體性能，提高整體抗沖擊性，并減輕泥漿對基體的磨損。
[0010]進一步地，所述的金剛石復合片工作刃口部位的金剛石層厚度大于非刃口部位的金剛石層厚度是根據金剛石復合片參與切削作業的程度，將參與切削作業部分的金剛石復合片金剛石層加厚，而其它部分的金剛石層厚度不加厚，或少量加厚，使得金剛石復合片的金剛石層厚度為不等厚狀態。
[0011]進一步地，所述的復合片金剛石層厚度為不等厚狀態是將金剛石復合片的硬質合金基體與金剛石層相接合的部位往硬質合金基體部分局部下陷，從而使得與下陷區域結合的金剛石層在金剛石復合片頂面尺寸不變的情況下，下陷區域的金剛石層厚度增加，達到金剛石復合片的金剛石層局部厚度增加的狀態。
[0012]進一步地，所述的硬質合金基體局部下陷是將硬質合金基體與金剛石層相接合的結合面局部做成缺口狀，并通過金剛石層局部做成與硬質合金基體缺口相配的凸臺來增加金剛石層厚度。
[0013]進一步地，所述的將硬質合金基體與金剛石層相接合的結合面局部做成缺口狀是將硬質合金基體與金剛石層相接合的結合面局部做成階梯狀缺口，并將金剛石層局部也做成與硬質合金基體相配的階梯狀凸臺；高溫高壓燒結后，金剛石層階梯狀凸臺復合到硬質合金基體的階梯狀缺口上，達到局部金剛石層厚度增加的目的。
[0014]進一步地，所述的將硬質合金基體與金剛石層相接合的結合面局部做成階梯狀是將靠參與切削作業的部分做成扇形階梯結合面;在硬質合金基體靠參與切削作業的部分做成階梯缺口，將金剛石層靠參與切削作業的部分做成扇形階梯突出塊，金剛石層的扇形階梯突出塊與硬質合金基體上的扇形階梯缺口相吻合。
[0015]進一步地，所述的扇形階梯結合面的扇形角為60-180度；扇形階梯數為2-4層，每一層的高度為0.5-4mm ；扇形階梯最外一層的寬度為0.5_2mm;所述的扇形階梯的二梯之間任意邊為直邊或斜邊或園弧曲線，且邊與邊相交采用圓滑過渡;硬質合金基體與金剛石層相接合的結合面是平面或弧面，或在結合面上設計各種形狀的凸起、凹陷、溝槽等。
[0016]進一步地，所述的將硬質合金基體與金剛石層相接合的結合面局部做成階梯狀是將靠參與切削作業的部分做成三角菱形;在硬質合金基體靠參與切削作業的部分做成三角菱形凹槽，將金剛石層靠參與切削作業的部分做成三角菱形階梯突出塊，金剛石層的扇形三角菱形突出塊與硬質合金基體上的扇形三角菱形凹槽相配。
[0017]一種金剛石復合片的制作方法，將金剛石復合片的硬質合金基體壓制成型，并在壓制成型時將與金剛石接觸的表面做成局部帶有扇形凹槽的形狀;再將金剛石微粉通過采用成形劑預壓成與硬質合金基體接觸的表面相配帶有扇形突塊的金剛石層壓坯;最后將金剛石層壓坯與硬質合金基體通過高溫超高壓復合在一起，制成局部金剛石層厚度較厚的金剛石復合片。
[0018]進一步地，所述的將金剛石微粉通過采用成形劑預制成與硬質合金基體接觸的表面相配帶有扇形突塊的金剛石層壓坯是將金剛石微粉與燒結助劑混合均勻后加入成形劑，采用模壓成形的方法壓制出與基體相吻合的金剛石層壓坯；
進一步地，所述的將金剛石層壓坯與硬質合金基體組合在一起是將金剛石層壓坯放入鉬杯，再把硬質合金基體對好方位后放在