一种潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿及其制备方法技术

本发明专利技术属于钻探工具技术领域，具体涉及一种潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿及其制备方法，所述潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿包括硬质合金球齿及设置于硬质合金球齿上的复合层，所述复合层包括由内至外顺次设置的第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和聚晶金刚石层。主要解决现有硬质合金球齿烧结后硬质合金层与聚晶金刚石层之间残余应力较大的问题，同时具有高强度、高硬度、高耐磨性、高使用寿命以及良好的抗冲击性，制得的潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿性能参数为：磨耗比32～36万，抗冲击韧性950～1000焦耳；热稳定性：在750℃焙烧15分钟以后，产品磨耗比30～34万，抗冲击韧性900～950焦耳，使用寿命是硬质合金球齿的10～15倍。

【技术实现步骤摘要】
一种潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿及其制备方法
本专利技术属于钻探工具
，具体涉及一种潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿及其制备方法。
技术介绍
目前，国内生产的潜孔钻头都采用硬质合金球齿，硬质合金球齿因具有较高的抗冲击性和较好的硬度而被广泛应用于潜孔钻中，但是当潜孔钻钻进坚硬研磨性岩层时，由于地下工作环境极其恶劣，钻头球齿除了承受与花岗岩高的冲击力作用外，还要承受与花岗岩的摩擦力作用，以及钻头端面冲洗介质对球齿的摩擦力作用，因此，硬质合金球齿由于耐磨性不足而很快磨损，从而导致钻头报废。与硬质合金球齿相比，聚晶金刚石复合球齿具有高强度、高硬度和高耐磨性等优异的机械力学性能，在钻探开采等各个领域得到广泛的应用。公开号为CN105177389A的中国专利公开了一种矿用硬质合金复合球齿及其制备方法，该矿用硬质合金复合球齿由聚晶金刚石层、中间层、硬质合金基体层组成，形成上端为半球形下端为圆柱体的球齿，此项专利以碳氮化钛、立方氮化硼和钴粉为原料，烧结制得硬质合金基体层，按照梯度由内向外增加了钴的含量，提高了硬质合金基体层表面的强度和耐磨性。但是，由于硬质合金衬底与聚晶金刚石层的热膨胀系数、弹性模量性能差异较大，其梯度含量不能消除在烧结过程中各层之间产生的应力，烧结而成聚晶金刚石复合球齿内部出现的残余应力较大，削弱了硬质合金衬底与聚晶金刚石层结合力，导致其抗冲击韧性差，容易出现崩裂、分层等非正常破坏的现象，严重影响了聚晶金刚石复合球齿的质量，从而影响了聚晶金刚石复合球齿潜孔钻头使用寿命。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿及其制备方法，主要解决现有硬质合金球齿烧结后硬质合金层与聚晶金刚石层之间残余应力较大的问题。为了实现上述目的，本专利技术设计了一种潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿，包括硬质合金球齿及设置于硬质合金球齿上的复合层，所述复合层包括由内至外顺次设置的第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和聚晶金刚石层。具体的，所述复合层的组成为：聚晶金刚石层60～66wt%、第三过渡层12～14wt%、第二过渡层11～13wt%和第一过渡层11～13wt%。具体的，所述硬质合金球齿的原料组成为：WC粉84.5～85.5wt%、Co粉13.5～14wt%、TiCN粉1～1.5wt%，所述WC粉的粒径为1.6～2.2µm，Co粉和TiCN粉的粒径均为0.8～1.2µm。进一步的，所述第一过渡层的原料组成为：含硼金刚石粉20～35wt%、立方氮化硼粉5～8wt%、硬质合金粉52～60wt%和结合剂8～12wt%；所述第二过渡层的原料组成为：含硼金刚石粉35～50wt%、立方氮化硼粉15～20wt%、硬质合金粉30～35wt%和结合剂5～10wt%；所述第三过渡层的原料组成为：含硼金刚石粉45～60wt%、立方氮化硼粉15～20wt%、硬质合金粉20～25wt%和结合剂5～10wt%；所述聚晶金刚石层的原料组成为：金刚石粉92～98wt%和结合剂2～8wt%。再进一步的，所述含硼金刚石的硼元素含量为0.0002～0.0005%。再进一步的，硬质合金粉的原料组成为：WC粉84.5～85.5wt%、Co粉13.5～14wt%、TiCN粉1～1.5wt%，所述WC粉的粒径为1.6～2.2µm，Co粉和TiCN粉的粒径均为0.8～1.2µm。再进一步的，所述结合剂的原料组成为：Co粉99～99.5wt%、Rb粉0.2～0.35wt%、Sb粉0.15～0.25wt%、Ce粉0.10～0.25wt%、Hf粉0.05～0.15wt%，所述Rb粉、Sb粉、Ce粉、Hf粉的粒径为25～30nm，所述Co粉的粒径为15～20nm。再进一步的，所述金刚石粉、含硼金刚石粉和立方氮化硼粉的粒径为5～35µm。上述潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿的制备方法，包括以下步骤：1）制作硬质合金球齿；2）按配比将第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层、聚晶金刚石层的粉料顺次铺到步骤1）所制得的硬质合金球齿上，装入球形金属杯中，扣上金属杯盖，在等静压机内压制成球形复合体，压力120～180MPa；3）将步骤2）中得到的球形复合体置于真空烧结炉内，抽真空至炉内气压在3×10-3Pa以下，温度升至400～450℃保温0.5～1min后停止抽真空，充入氢气至炉内气压为20~30Mbar并保持1.5～2h，再抽真空至3×10-3Pa以下，然后温度升至600～700℃保温0.5～1min后停止抽真空，充入一氧化碳气体至炉内气压为20~30Mbar并保持1.5～2h，再抽真空至炉内气压3×10-3Pa以下；处理后的球形复合体内坯料氧含量小于等于80ppm；4）将步骤3）中得到的球形复合体置于合成组装块内，再将合成组装块置于六面顶压机上进行高温高压烧结，烧结过程如下，先升压至6～8GPa，之后升温至1500～1700℃，在此压力、温度下保持30～40min之后，以15～20℃/min的速率将腔体温度降至常温，同时以0.06～0.095GPa/min的速率将腔体压力降至常压；5）将步骤4）烧结后得到的聚晶金刚石复合球齿，在真空烧结炉中炉内气压不大于3×10-3Pa，温度450～500℃下进行去应力退火处理15～20min后，冷却至常温。本专利技术由Co、Rb、Sb、Ce、Hf元素制备的结合剂为纳米结合剂，在高温高压下具有很好的烧结促进作用，易使复合球齿形成强韧的烧结体，有助于提高聚晶层内金刚石的体积比，增强金刚石复合球齿的耐磨性和抗冲击性能，延长其使用寿命。在硬质合金球齿与聚晶金刚石层之间采用三层结构的梯度过渡层，使得过渡层与硬质合金球齿的热膨胀系数相接近，从而减少了聚晶金刚石层与硬质合金球齿结合界面由于热膨胀系数不同而产生的内应力。试验证明，采用连续的多层过渡层的聚晶金刚石复合球齿，聚晶金刚石层与硬质合金球齿的拉应力与剪切应力得到显著降低，聚晶金刚石复合球齿抗冲击性得到了很大的提高。采用了立方氮化硼、含硼金刚石和含碳化钨的硬质合金粉作为过渡层的原料，由于立方氮化硼在高温下的热膨胀系数介于聚晶金刚石与硬质合金球齿之间，过渡层中加入了立方氮化硼减小了聚晶金刚石层与硬质合金球齿之间的热应力，除此之外，立方氮化硼的加入也使聚晶金刚石与硬质合金球齿之间有相对较好的相容性，减小了由于热应力造成的微裂纹，从而大大提高了聚晶金刚石复合球齿的抗冲击性；含有含硼金刚石的过渡层在烧结过程中会与生成的少量石墨进行反应生成强度很高的耐高温碳化物，有助于提高复合球齿的强度和热稳定性；含有碳化钨的过渡层可降低烧结过程中液相的存在，以遏制金刚石晶粒异常生长，获得比较细小均匀的金刚石组织，从而降低聚晶金刚石与硬质合金球齿之间的热膨胀系数，提高聚晶金刚石复合球齿的结合强度和抗冲击性能。通过对过渡层和硬质合金球齿材料相结合的合理设计，解决了聚晶金刚石层与硬质合金球齿之间由于热膨胀系数及弹性模量差异而导致的分层和裂纹等现象，强化了金刚石聚晶层与硬质合金球齿之间的结合。该聚晶金刚石复合球齿具有高强度、高硬度、高耐磨性以及良好的抗冲击性。在制备方法中，由于聚晶金刚石复合球齿的耐磨性极大地依赖于自身密度的大小，其耐磨性也具有理论最高值，在高温高压合成前，通过对聚晶金刚石复合球齿复合体置于2000Kg的“等静压”机内进行压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿，其特征在于，包括硬质合金球齿及设置于硬质合金球齿上的复合层，所述复合层包括由内至外顺次设置的第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和聚晶金刚石层。

【技术特征摘要】
1.一种潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿，其特征在于，包括硬质合金球齿及设置于硬质合金球齿上的复合层，所述复合层包括由内至外顺次设置的第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和聚晶金刚石层。2.根据权利要求1所述的潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿，其特征在于，所述复合层的组成为：聚晶金刚石层60～66wt%、第三过渡层12～14wt%、第二过渡层11～13wt%和第一过渡层11～13wt%。3.根据权利要求1所述的潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿，其特征在于，所述硬质合金球齿的原料组成为：WC粉84.5～85.5wt%、Co粉13.5～14wt%、TiCN粉1～1.5wt%，所述WC粉的粒径为1.6～2.2µm，Co粉和TiCN粉的粒径均为0.8～1.2µm。4.根据权利要求1所述的潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿，其特征在于，所述第一过渡层的原料组成为：含硼金刚石粉20～35wt%、立方氮化硼粉5～8wt%、硬质合金粉52～60wt%和结合剂8～12wt%；所述第二过渡层的原料组成为：含硼金刚石粉35～50wt%、立方氮化硼粉15～20wt%、硬质合金粉30～35wt%和结合剂5～10wt%；所述第三过渡层的原料组成为：含硼金刚石粉45～60wt%、立方氮化硼粉15～20wt%、硬质合金粉20～25wt%和结合剂5～10wt%；所述聚晶金刚石层的原料组成为：金刚石粉92～98wt%和结合剂2～8wt%。5.根据权利要求4所述的潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿，其特征在于，所述含硼金刚石的硼元素含量为0.0002～0.0005%。6.根据权利要求4所述的潜孔钻用聚晶金刚石复合球齿，其特征在于，硬质合金粉的原料组成为：WC粉84.5～85.5wt%、Co粉13.5～14wt%、TiCN粉1～1.5wt%，所述WC粉的粒径为1.6～2.2µm，Co粉和TiCN粉的粒径均为0.8～1.2µm。7.根据权利要求4所述的潜孔钻用聚晶金...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，卢灿华，刘俊涛，窦明，
申请(专利权)人：中南钻石有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41