CN104047548A

CN104047548A - 具有钴含量梯度的金刚石钻齿

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Publication number: CN104047548A
Application number: CN201310079693.3A
Authority: CN
Inventors: 江雨明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-09-17

Abstract

本发明公开了一种具有钴含量梯度的金刚石钻齿，它包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层，所述基体至少为两层钴含量梯度分布的硬质合金基体，所述硬质合金基体的一端面与聚晶金刚石层相邻。采用上述方案的本发明因从聚晶金刚石层到硬质合金基体中的钴含量为均匀梯度变化的分布状态，因此，此种设计降低了聚晶金刚石层和硬质合金基体之间结合界面的内应力，降低了硬质合金基体内部的内应力，降低了整个金刚石钻齿的内应力，提高了金刚石钻齿的抗冲击性能。

Description

具有钴含量梯度的金刚石钻齿

技术领域

本发明涉及一种金刚石钻齿，尤其涉及一种具有钴含量梯度的金刚石钻齿。

背景技术

金刚石钻齿是在5.5-7.5GPa和1450-1550℃的超高压高温条件下由聚晶金刚石层与硬质合金基体烧结而成，兼有金刚石高硬度和耐磨性，硬质合金高抗冲击性能，被广泛用于石油、天然气钻头。

工作时，金刚石钻齿暴露在钻头的最外部，直接作用于坚硬的岩层，对岩层进行破碎，工作条件十分恶劣，不仅受到强烈的磨蚀作用，同时还要承受巨大的冲击力。巨大的冲击力可使金刚石钻齿局部受损脱落，甚至使聚晶金刚石和与其结合的硬质合金部分分离或全部分离，这将导致整个金刚石钻头过早失效。现有金刚石钻齿中的硬质合金基体为单一结构，其钴含量为一定值，一般为13%、14%、16%、18%不等，而该硬质合金基体上所复合的聚晶金刚石层的钴含量一般为5%~10%，两者之间钴含量差异较大，导致结合面存在较大的内应力，使得金刚石钻齿的抗冲击性能下降，进而降低了金刚石钻头的使用寿命。在制造金刚石钻头过程中，整个金刚石钻齿需在700℃高温下焊接到钻头本体上，由于位于上部的聚晶金刚石层和位于下部作为衬底的硬质合金基体各自的热膨胀系数不同，此时上、下层中的钴含量对各自的热膨胀表现起着重要作用，两者钴含量差别越大，越容易产生更大的内应力，严重的会使聚晶金刚石层开裂，使整个金刚石钻齿失效。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种具有钴含量梯度的金刚石钻齿，它能减少金刚石钻齿中聚晶金刚石层和硬质合金基体之间结合界面所残存的内应力和硬质合金基体内的内应力，使金刚石钻齿的抗冲击性能得以提高。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层，所述基体至少为两层钴含量梯度分布的硬质合金基体，所述硬质合金基体的一端面与聚晶金刚石层相邻。

所述基体为硬质合金基体Ⅰ、硬质合金基体Ⅱ和硬质合金基体Ⅲ三层，所述硬质合金基体Ⅰ的一端面与聚晶金刚石层相邻，所述硬质合金基体Ⅰ的另一端面与硬质合金基体Ⅱ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅱ的另一端面与硬质合金基体Ⅲ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅰ、硬质合金基体Ⅱ和硬质合金基体Ⅲ由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布且依次增高。

所述硬质合金基体Ⅰ中金属钴的含量为6～10%，所述硬质合金基体Ⅱ中金属钴的含量为10～14%，所述硬质合金基体Ⅲ中金属钴的含量为14～18%。

所述基体为硬质合金基体Ⅰ、硬质合金基体Ⅱ、硬质合金基体Ⅲ和硬质合金基体Ⅳ四层，所述硬质合金基体Ⅰ的一端面与聚晶金刚石层相邻，所述硬质合金基体Ⅰ的另一端面与硬质合金基体Ⅱ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅱ的另一端面与硬质合金基体Ⅲ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅲ的另一端面与所述硬质合金基体Ⅳ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅰ、硬质合金基体Ⅱ、硬质合金基体Ⅲ和硬质合金基体Ⅳ由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布且依次增高。

所述硬质合金基体Ⅰ中金属钴的含量为6～10%，所述硬质合金基体Ⅱ中金属钴的含量为9～11%，所述硬质合金基体Ⅲ中金属钴的含量为10～14%，所述硬质合金基体Ⅳ中金属钴的含量为14～18%。

所述的聚晶金刚石层由金刚石晶粒和金属钴组成，所述金刚石晶粒的含量为90～95%，所述金属钴的含量为5～10%。

所述硬质合金基体的一端面与聚晶金刚石层相结合的界面为平面。

所述硬质合金基体与聚晶金刚石层的结合界面为相吻合的曲面。

所述硬质合金基体之间的结合界面为平面。

所述硬质合金基体之间的结合界面为相吻合的曲面。

与现有技术相比，采用上述方案的本发明有如下特点：因金刚石钻齿从聚晶金刚石层到硬质合金基体中的钴含量为均匀梯度变化的分布状态，因此，此种设计降低了聚晶金刚石层和硬质合金基体之间结合界面的内应力，降低了硬质合金基体内部的内应力，降低了整个金刚石钻齿的内应力，提高了金刚石钻齿的抗冲击性能。

附图说明

图1是本发明中所述基体为三层的结构示意图。

图2是本发明中所述基体为四层的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层1，所述基体为硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4三层；所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布，且依次增高；所述硬质合金基体Ⅰ2的钴含量为6%，所述硬质合金基体Ⅱ3的钴含量为10%，所述硬质合金基体Ⅲ4的钴含量为14%；所述聚晶金刚石层1由金刚石晶粒和金属钴组成，金刚石晶粒的含量为95%，金属钴的含量为5%。

所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面也可为曲面，如相吻合的直槽形曲面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面也可为曲面，如相吻合的正弦形曲面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面也可为曲面，如相吻合的锯齿形曲面。此种设计也适合下面所介绍的实施方案。

实施例2

如图1所示，本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层1，所述基体为硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4三层；所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布，且依次增高；所述硬质合金基体Ⅰ2中金属钴的含量为7%，所述硬质合金基体Ⅱ3中金属钴的含量为11%，所述硬质合金基体Ⅲ4中金属钴的含量为15%；所述的聚晶金刚石层1由金刚石晶粒和金属钴组成，金刚石晶粒的含量为94%，金属钴的含量为6%。

实施例3

如图1所示，本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层1，所述基体为硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4三层；所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布，且依次增高；所述硬质合金基体Ⅰ2中金属钴的含量为8%，所述硬质合金基体Ⅱ3中金属钴的含量为12%，所述硬质合金基体Ⅲ4中金属钴的含量为16%；所述的聚晶金刚石层1由金刚石晶粒和金属钴组成，金刚石晶粒的含量为93%，金属钴的含量为7%。

实施例4

如图1所示，本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层1，所述基体为硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4三层；所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布，且依次增高；所述硬质合金基体Ⅰ2中金属钴的含量为9%，所述硬质合金基体Ⅱ3中金属钴的含量为13%，所述硬质合金基体Ⅲ4中金属钴的含量为17%；所述的聚晶金刚石层1由金刚石晶粒和金属钴组成，金刚石晶粒的含量为92%，金属钴的含量为8%。

实施例5

如图1所示，本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层1，所述基体为硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4三层；所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布，且依次增高；所述硬质合金基体Ⅰ2中金属钴的含量为10%，所述硬质合金基体Ⅱ3中金属钴的含量为14%，所述硬质合金基体Ⅲ4中金属钴的含量为18%；所述的聚晶金刚石层1由金刚石晶粒和金属钴组成，金刚石晶粒的含量为91%，金属钴的含量为9%。

实施例6

如图1所示，本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层1，所述基体为硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4三层；所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3和硬质合金基体Ⅲ4由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布，且依次增高；所述硬质合金基体Ⅰ2中金属钴的含量为10%，所述硬质合金基体Ⅱ3中金属钴的含量为13%，所述硬质合金基体Ⅲ4中金属钴的含量为16%；所述的聚晶金刚石层1由金刚石晶粒和金属钴组成，金刚石晶粒的含量为90%，金属钴的含量为10%。

实施例7

如图2所示，本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层1，所述基体为硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3、硬质合金基体Ⅲ4和硬质合金基体Ⅳ5四层；所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅲ4的另一端面与所述硬质合金基体Ⅳ5的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3、硬质合金基体Ⅲ4和硬质合金基体Ⅳ5由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布，且依次增高；所述硬质合金基体Ⅰ2中金属钴的含量为7%，所述硬质合金Ⅱ3中金属钴的含量为9%，所述硬质合金基体Ⅲ4中金属钴的含量为11%，所述硬质合金基体Ⅳ5中金属钴的含量为14%；所述聚晶金刚石层1由金刚石晶粒和金属钴组成，金刚石晶粒的含量为95%，金属钴的含量为5%。

实施例8

如图2所示，本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层1，所述基体为硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3、硬质合金基体Ⅲ4和硬质合金基体Ⅳ5四层；所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅲ4的另一端面与所述硬质合金基体Ⅳ5的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3、硬质合金基体Ⅲ4和硬质合金基体Ⅳ5由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布，且依次增高；所述硬质合金基体Ⅰ2中金属钴的含量为8%，所述硬质合金Ⅱ3中金属钴的含量为10%，所述硬质合金基体Ⅲ4中金属钴的含量为12%，所述硬质合金基体Ⅳ5中金属钴的含量为14%；所述聚晶金刚石层1由金刚石晶粒和金属钴组成，金刚石晶粒的含量为92%，金属钴的含量为8%。

实施例9

如图2所示，本发明包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层1，所述基体为硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3、硬质合金基体Ⅲ4和硬质合金基体Ⅳ5四层；所述硬质合金基体Ⅰ2的一端面与聚晶金刚石层1相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2的另一端面与硬质合金基体Ⅱ3的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅱ3的另一端面与硬质合金基体Ⅲ4的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅲ4的另一端面与所述硬质合金基体Ⅳ5的一端面相邻，且彼此间相结合的界面为平面；所述硬质合金基体Ⅰ2、硬质合金基体Ⅱ3、硬质合金基体Ⅲ4和硬质合金基体Ⅳ5由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布，且依次增高；所述硬质合金基体Ⅰ2中金属钴的含量为10%，所述硬质合金Ⅱ3中金属钴的含量为11%，所述硬质合金基体Ⅲ4中金属钴的含量为13%，所述硬质合金基体Ⅳ5中金属钴的含量为15%；所述聚晶金刚石层1由金刚石晶粒和金属钴组成，金刚石晶粒的含量为90%，金属钴的含量为10%。

Claims

1.一种具有钴含量梯度的金刚石钻齿，它包括基体及与其相复合的聚晶金刚石层，其特征在于：所述基体至少为两层钴含量梯度分布的硬质合金基体，所述硬质合金基体的一端面与聚晶金刚石层相邻。

2.根据权利要求1所述的具有钴含量梯度的金刚石钻齿，其特征在于：所述基体为硬质合金基体Ⅰ、硬质合金基体Ⅱ和硬质合金基体Ⅲ三层，所述硬质合金基体Ⅰ的一端面与聚晶金刚石层相邻，所述硬质合金基体Ⅰ的另一端面与硬质合金基体Ⅱ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅱ的另一端面与硬质合金基体Ⅲ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅰ、硬质合金基体Ⅱ和硬质合金基体Ⅲ由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布且依次增高。

3.根据权利要求2所述的具有钴含量梯度的金刚石钻齿，其特征在于：所述硬质合金基体Ⅰ中金属钴的含量为6～10%，所述硬质合金基体Ⅱ中金属钴的含量为10～14%，所述硬质合金基体Ⅲ中金属钴的含量为14～18%。

4.根据权利要求1所述的具有钴含量梯度的金刚石钻齿，其特征在于：所述基体为硬质合金基体Ⅰ、硬质合金基体Ⅱ、硬质合金基体Ⅲ和硬质合金基体Ⅳ四层，所述硬质合金基体Ⅰ的一端面与聚晶金刚石层相邻，所述硬质合金基体Ⅰ的另一端面与硬质合金基体Ⅱ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅱ的另一端面与硬质合金基体Ⅲ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅲ的另一端面与所述硬质合金基体Ⅳ的一端面相邻，所述硬质合金基体Ⅰ、硬质合金基体Ⅱ、硬质合金基体Ⅲ和硬质合金基体Ⅳ由碳化钨和金属钴组成，金属钴的含量呈梯度分布且依次增高。

5.根据权利要求4所述的具有钴含量梯度的金刚石钻齿，其特征在于：所述硬质合金基体Ⅰ中金属钴的含量为6～10%，所述硬质合金基体Ⅱ中金属钴的含量为9～11%，所述硬质合金基体Ⅲ中金属钴的含量为10～14%，所述硬质合金基体Ⅳ中金属钴的含量为14～18%。

6.根据权利要求1所述的具有钴含量梯度的金刚石钻齿，其特征在于：所述的聚晶金刚石层由金刚石晶粒和金属钴组成，所述金刚石晶粒的含量为90～95%，所述金属钴的含量为5～10%。

7.根据权利要求1所述的具有钴含量梯度的金刚石钻齿，其特征在于：所述硬质合金基体的一端面与聚晶金刚石层相结合的界面为平面。

8.根据权利要求1所述的具有钴含量梯度的金刚石钻齿，其特征在于：所述硬质合金基体与聚晶金刚石层相结合的界面为相吻合的曲面。

9.根据权利要求1所述的具有钴含量梯度的金刚石钻齿，其特征在于：所述硬质合金基体之间的结合界面为平面。

10.根据权利要求1所述的具有钴含量梯度的金刚石钻齿，其特征在于：所述硬质合金基体之间的结合界面为相吻合的曲面。