預先石墨化聚晶金剛石復合片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油鉆井PDC鉆頭的金剛石復合片，特別涉及一種預先石墨化聚晶金剛石復合片。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，石油鉆井用的PDC鉆頭主要依靠金剛石復合片(roc)來切削地層，其一般為硬質(zhì)合金，即碳化鎢與鈷及其它微量金屬燒結(jié)而成的結(jié)構(gòu)。這種金剛石復合片為石油開采鉆井工程做出了貢獻，但其同時存在著以下缺點或不足:①金剛石復合片合成后的多種材料親和力差，結(jié)合不牢固，易于脫損；②金剛石單晶合成的聚晶層含有金屬鈷、鎢及其它添加的物質(zhì)，當聚晶層在高壓及高溫下切削地層時，聚晶層內(nèi)的金屬物質(zhì)受熱膨脹，由于其膨脹系數(shù)與金剛石不同，使金剛石單晶，受膨脹應力影響而迅速脫落；③聚晶層內(nèi)的鈷、鎳等鐵族元素在受熱時，產(chǎn)生催化作用，使金剛石單晶迅速石墨化，失去耐磨特性；④最常用的是目前用強酸對復合片聚晶層內(nèi)的金屬進行腐蝕，亦通常說的脫鈷酸洗工藝。這個工藝雖然可使聚晶層內(nèi)的金屬物質(zhì)如鈷大幅度減少，但不能徹底清除聚晶層內(nèi)含的鈷金屬，殘留的鈷在高溫高壓下起破壞作用。當聚晶層內(nèi)的鈷金屬被酸洗后，聚晶層形成大量的空隙空間結(jié)構(gòu)，一是容易脫落，二是在鈷遇極細顆粒成分地層時，巖屑便堆積在聚晶層內(nèi)的間隙中，發(fā)熱膨脹，造成金剛石單晶受熱脫落，直接影響金剛石復合片的堅固性及使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種預先石墨化聚晶金剛石復合片，采用將金剛石單晶清洗、加熱、生長成結(jié)構(gòu)致密的金剛石聚晶層到把生長成的金剛石聚晶層粘結(jié)在硬質(zhì)合金基體上，制成為預先石墨化的聚晶金剛石復合片的工藝方法，有效地克服或避免上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點或不足。
[0004]本發(fā)明所述的預先石墨化聚晶金剛石復合片，包括硬質(zhì)合金基體、金剛石單晶聚晶層，其特征在于所述硬質(zhì)合金基體上覆設(shè)有金剛石單晶聚晶層，該金剛石單晶聚晶層，由金剛石單晶與硬質(zhì)合金在高溫高壓下合成，其合成工藝為:(1)將金剛石單晶清洗干凈后，置于真空爐中，在0.01—0.02Pa的真空中，加熱到1350-1450°c，使金剛石單晶表面均勻預先石墨化:(2)將石墨化的金剛石單晶與硬質(zhì)合金基體一起裝入金屬杯的葉蠟石合成腔內(nèi)，在該合成腔腔體內(nèi)5Gpa — 7Gpa壓力、1000°C — 1200°C溫度下，預先石墨化的金剛石單晶在此高溫高壓作用下，重新向金剛石轉(zhuǎn)換，金剛石單晶表面的石墨在轉(zhuǎn)換成金剛石的同時，與相接處的單晶石墨一起生長成結(jié)構(gòu)致密的金剛石聚晶層；(3)待預先石墨化的金剛石單晶充分轉(zhuǎn)化并生長成聚晶層后，將腔體內(nèi)溫度提高到1400— 1500°C，硬質(zhì)合金基體內(nèi)含有的鈷金屬融化并擴散到金剛石單晶聚晶層與硬質(zhì)合金基體之間的表面，形成一粘結(jié)層，該粘結(jié)層只起粘結(jié)作用，把生長成的金剛石聚晶層粘結(jié)在硬質(zhì)合金基體上，合成為預先石墨化的聚晶金剛石復合片。
[0005]其中，所述金剛石聚晶層2在1000— 1200°C生長合成為致密的純金剛石晶層，金剛石聚晶層中只含有非金屬元素碳。所述金剛石單晶聚晶層，為純微米或納米級的金剛石單晶與硬質(zhì)合金在高溫高壓下合成后，與硬質(zhì)合金基體相粘結(jié)，形成整體的聚晶金剛石復合片。所述金剛石單晶聚晶層與硬質(zhì)合金基體的粘結(jié)，是由石墨化的金剛石單晶生長的金剛石單晶層與硬質(zhì)合金基體粘結(jié)成一體，再經(jīng)壓制而形成預先石墨化聚晶金剛石復合片。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有如下優(yōu)點:
1、由于金剛石單晶聚晶層已在1000— 1200°C生長合成為致密的純金剛石晶層，鈷液不會滲透到聚晶層中，避免了聚晶層中含有金屬。
[0007]2、金剛石單晶聚晶層先進行石墨化預處理，在高溫高壓下壓制，石墨自然生成金剛石，把單晶結(jié)合起來，確保金剛石單晶聚晶層只含有碳等非金屬元素。
[0008]3、金剛石單晶聚晶層不添加任何金屬相，聚晶之間結(jié)合牢固，強度高。
[0009]4、金剛石單晶聚晶層預先石墨化，其耐溫、耐磨性能極大地提高，使用壽命長。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的一種實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為按圖1所示的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0011]參閱圖1-圖2，一種預先石墨化聚晶金剛石復合片，包括硬質(zhì)合金基體1、金剛石單晶聚晶層2，其特征在于所述硬質(zhì)合金基體I上覆設(shè)有金剛石單晶聚晶層2，該金剛石單晶聚晶層2，由金剛石單晶與硬質(zhì)合金在高溫高壓下合成，其合成工藝為:(I)將金剛石單晶清洗干凈后，置于真空爐中，在0.01—0.02Pa的真空中，加熱到1350-1450°C，使金剛石單晶表面均勻預先石墨化:(2)將石墨化的金剛石單晶與硬質(zhì)合金基體I 一起裝入金屬杯的葉蠟石合成腔內(nèi)，在合成腔腔體內(nèi)5 — 7Gpa壓力、1000—1200攝氏度腔體溫度下，預先石墨化的金剛石單晶在此高溫高壓作用下，重新向金剛石轉(zhuǎn)換，金剛石單晶表面的石墨在轉(zhuǎn)換成金剛石的同時，與相接處的單晶石墨一起生長成結(jié)構(gòu)致密的金剛石聚晶層；(3)待預先石墨化的金剛石單晶充分轉(zhuǎn)化并生長成聚晶層后，將腔體內(nèi)溫度提高到1400°C —1500°C，硬質(zhì)合金內(nèi)含有的鈷金屬融化并擴散到聚晶層表表面，形成一粘結(jié)層，該粘結(jié)層只起粘結(jié)作用，把生長成的金剛石聚晶層粘結(jié)在硬質(zhì)合金基體I上，合成為預先石墨化的聚晶金剛石復合片。
[0012]其中，所述金剛石聚晶層2在1000— 1200°C生長合成為致密的純金剛石晶層，金剛石聚晶層2中只含有非金屬元素碳。所述金剛石單晶聚晶層2，為純微米或納米級的金剛石單晶與硬質(zhì)合金在高溫高壓下合成后，與硬質(zhì)合金基體I相粘結(jié)，形成整體的聚晶金剛石復合片。金剛石單晶聚晶層與硬質(zhì)合金基體的粘結(jié)，是由石墨化的金剛石單晶生長的金剛石單晶層與硬質(zhì)合金基體I粘結(jié)成一體，