鉆探用金剛石復合片基體制備方法及復合片基體的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種硬質合金產(chǎn)品及其制作方法，具體涉及一種金剛石復合片用硬質合金基體及其制備，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超高壓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、天然氣鉆井行業(yè)。目前一般采用鈷含量在15-16%的鎢鈷硬質合金作為鉆探用金剛石復合片的基體，以確保金剛石微粉在高壓燒結時基體有足夠的鈷擴散進入金剛石層，促進其燒結，并使硬質合金基體與金剛石層牢固結合。但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，金剛石復合片在鉆進過程中至始至終都需要泥漿來進行冷卻，泥漿與夾雜其中的巖肩對復合片的不斷沖刷常常使得復合片的硬質合金基體部分率先磨損，導致金剛石層失去支撐而崩缺。因此，作為金剛石復合片組成部分之一的硬質合金基體不但要有較高的抗沖擊韌性，還應具有足夠的耐磨性。隨著鉆井深度與鉆進地層硬度的增加，對復合片合金基體耐磨性的要求也越來越高。現(xiàn)有的硬質合金基體難以滿足需要，因此很有必要對此加以改進。
[0003]通過專利檢索沒發(fā)現(xiàn)有與本發(fā)明相同技術的專利文獻報道，與本發(fā)明有一定關系的專利主要有以下幾個:
1、專利號為CN201310530290，名稱為“一種合成聚晶金剛石復合片的硬質合金基體”的發(fā)明專利，該專利公開了一種用于合成聚晶金剛石復合片的硬質合金基體，其中，硬質合金基體中用于與金剛石的結合面為弧形面，且弧形面上設置有均勻分布的凸起。本申請中通過將硬質合金基體中與金剛石結合的結合面設置為弧形面，并在弧形面上設置凸起，設置的弧形面一方面增加了金剛石層與硬質合金基體的接觸面積，以減小單位接觸面上的殘余應力，還減小了合成聚晶金剛石復合片過程中的橫向壓力梯度，從而改善了復合片中的殘余熱應力分布。
[0004]2、專利號為CN201320220994，名稱為“一種用于聚晶金剛石復合片的柱狀硬質合金基體”的實用新型專利，該專利公開了一種用于聚晶金剛石復合片的柱狀硬質合金基體，在基體的上端面設有一個或多個凸起，各凸起為呈同心的環(huán)狀凸起；上端面邊緣有一個或多個環(huán)狀間隔分布的下沉溝槽，所述下沉溝槽之間是面對稱或中心對稱，相鄰兩個突起之間構成環(huán)形凹槽。
[0005]3、專利號為CN201120149569，名稱為“一種人造金剛石復合片用硬質合金基體”的實用新型專利，該專利公開了一種人造金剛石復合片用硬質合金基體，該基體整體呈圓柱形，其一個端面為平面，另一個端面的中間部分為穹形凸臺，該穹形凸臺的兩端分別具有一個V型槽。該實用新型的人造金剛石復合片用硬質合金基體具有特殊槽型結構，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、專利號為CN201220551569，名稱為“一種人造金剛石球齒復合片用平臺型硬質合金基體”的發(fā)明專利，該專利公開了一種人造金剛石球齒復合片用平臺型硬質合金基體，它包括有圓柱形底座和斷面為梯形的圓臺，所述的斷面為梯形的圓臺頂部為平臺，所述的平臺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面的上端。所述的圓臺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合金基體生產(chǎn)的梯形臺齒及與其類似形狀齒在內的多種異型人造金剛石球齒復合片，其金剛石層厚度均勻，內在殘余應力低，產(chǎn)品質量及穩(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合片的硬質合金基體，但都沒有提出如何改進硬質合金基體耐磨性的問題，因此仍沒有解決實際應用中那種復合片的硬質合金基體部分率先磨損，導致金剛石層失去支撐而崩缺的問題，因此仍有待進一步加以改進。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有聚晶金剛石復合片的硬質合金基體部分率先磨損，導致金剛石層失去支撐而崩缺的不足，提出一種耐磨性更好，同時又能保證基體與金剛石層牢固結合的硬質合金基體，該硬質合金基體的耐磨性可顯著提高，從而提高金剛石復合片的使用壽命。
[0009]為了達到這一目的，本發(fā)明提供了一種鉆探用金剛石復合片基體制備方法及硬質合金基體。根據(jù)研宄發(fā)現(xiàn)，硬質合金基體在經(jīng)受復合片制備過程的高溫高壓后，其中的部分金屬鈷會擴散進入金剛石層，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個百分點，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合金基體結合的強度，通常的做法是采用鈷含量在15-16%之間的硬質合金做基體，但是這樣一來就使得硬質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)域的硬質合金基體容易出現(xiàn)磨損凹陷，當凹陷達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)明所采取的改進方案就是:一種鉆探用金剛石復合片基體制備方法，將與聚晶金剛石層相結合的硬質合金基體分層兩層，其中一層為與聚晶金剛石層相結合的上基體層，另一層為下基體層；硬質合金上基體層與硬質合金下基體層通過壓制燒結結合成一個整體；為保證聚晶金剛石層界面與硬質合金基體結合可靠，硬質合金上基體層采用高含鈷量配方，同時為了增加硬質合金基體后部的硬度和耐磨性，硬質合金下基體層采用低含鈷量配方，使得硬質合金上基體層的鈷含量高于硬質合金下基體層的鈷含量，且通過控制硬質合金上基體層與硬質合金下基體層的厚度和碳化鎢材料的顆粒大小，使得硬質合金表面基體的整體硬度和耐磨性提高。
[0010]進一步地，所述的使得硬質合金上基體層的鈷含量高于硬質合金下基體層的鈷含量是硬質合金上基體層的鈷含量高于硬質合金下基體層的含量2-3個百分點，以保證聚晶金剛石層與硬質合金基體在超高壓條件下燒結而成的一種層狀結構復合超硬材料后，與聚晶金剛石層相結合的硬質合金基體界面的鈷含量與硬質合金下基體層基本是一致的。
[0011]進一步地，所述的硬質合金上基體層的鈷含量為15-16%，硬質合金下基體層的鈷含量為11-13%，使得聚晶金剛石層與硬質合金基體既能順利燒結成型，又能保證硬質合金基體的強度和耐磨性。
[0012]進一步地，所述的控制硬質合金上基體層與硬質合金下基體層的厚度是將硬質合金上基體層的厚度控制在2.5-4.0mm之間，而硬質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]進一步地，所述的控制碳化鎢材料的顆粒大小是將硬質合金上基體層的WC粒度控制在1.0-1.5微米，將硬質合金下基體層的WC粒度控制在2-6微米。
[0014]一種按照上述鉆探用金剛石復合片基體制備方法制作的復合片基體，復合片基體為硬質合金基體，其特點在于，硬質合金基體分為兩層，其中一層為與聚晶金剛石層相結合的上基體層，另一層為下基體層；硬質合金上基體層與硬質合金下基體層通過壓制燒結結合成一個整體。
[0015]進一步地，所述的硬質合金上基體層的鈷含量為15-16% ;硬質合金上基體層的厚度控制在2-4mm之間；硬質合金上基體層的WC粒度控制在1.0-1.5微米。
[0016]進一步地，所述的硬質合金下基體層的鈷含量為11-13% ;硬質合金下基體層的WC粒度控制在2-6微米。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
本發(fā)明將硬質合金基體分為兩層，并采用不同的WC粒度，使得硬質合金基體能夠同時滿足耐磨性和韌性的需求，主要有以下特點:
I)采用兩層結構的硬質合金基體，在靠近聚晶金剛石層的上基體層采用細粒度的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合金基體鈷含量為15-16%，可保證復合片的燒結能順利進行。硬質合金基體經(jīng)過燒結，部分鈷流失后，鈷含量仍能保持在13%左右，有利于保證硬質合金基體整體的強度。
[0019]3)由于采用了雙層結構，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)通過控制兩層結構尺寸，使得硬質合金上基體層在燒結后含鈷量基本上與硬質合