一种脱钴金刚石钻齿及其超深脱钴工艺的制作方法

本发明涉及聚晶金刚石钻齿，特别涉及一种脱钴金刚石钻齿及其超深脱钴工艺，应用于石油、天然气、页岩气开采的金刚石钻头，属于石油天然气开采技术领域。

背景技术：

现有的金刚石钻齿为平面或凸面或凹面形状，是将金刚石微粉和硬质合金基体装入耐高温的金属杯中封装后，置入高温超高压容器中，在催化剂的作用下金刚石的碳溶解和再结晶，形成金刚石聚晶体与合金基体结合在一起的金刚石复合体，经过研磨和外圆加工制成金刚石钻齿，具有超强的耐磨、耐热和抗冲击性能，满足各种底层下的石油与天然气开采需要。大量的金刚石晶体颗粒在高温下与硬质合金基体结合成大尺寸的复合体，具有高的耐磨性能和高强度与最高硬度在应用中表现出优异的磨削和切割性能。在有金属溶剂和催化剂钴参与的条件下，烧结金刚石颗粒的压力深度条件在50-80kbar和1400-1700℃之间，一般的合成方法是把金刚石颗粒装入耐高温的金属杯中，再装入硬质合金基体后，放入产生上述高温高压的容器中，通过油压机加压加热实现。普通的聚合金刚石产品耐热温度在700-750℃之间，更高的温度会导致聚晶金刚石层产生裂纹，因为金属催化剂的热膨胀系数是金刚石的热膨胀系数的几倍，因此未经脱钴工艺处理的产品在使用过程中会随着工作温度升高而易于失效。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种超深脱钴金刚石钻齿。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种超深脱钴金刚石钻齿，包括硬质合金基体，所述硬质合金基体的顶部设有聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层包括聚晶脱钴层与聚晶未脱钴层，所述聚晶金刚石层的表面等距开设有反应孔。

作为本发明的一种优选方案，所述反应孔为圆形孔或异形孔。

作为本发明的一种优选方案，所述聚晶未脱钴层的一端面与硬质合金基体相邻，所述金属未脱钴层的另一面与聚晶脱钴层相邻，所述硬质合金基体、聚晶未脱钴层与聚晶脱钴层内的钴含量呈梯度分布且依次降低。

作为本发明的一种优选方案，所述硬质合金基体的直径与聚晶金刚石层的直径相同，且所述硬质合金基体的圆心与聚晶金刚石层的圆心在同一条竖直的直线上。

作为本发明的一种优选方案，所述聚晶金刚石层是采用高纯金刚石微粉制成。

作为本发明的一种优选方案，所述硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合界面为平面或者沟槽状或网格形状界面。

作为本发明的一种优选方案，所述硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的结合界面为含有突起界面或凹面的异形界面。

作为本发明的一种优选方案，所述硬质合金基体的含钴量为6-16％，所述金属未脱钴层的含钴量为4-12％，所述聚晶脱钴层的含钴量为0–2％。

一种脱钴金刚石钻齿的超深脱钴工艺，包括以下步骤：

s1、激光打孔：将设计好的打孔图纸导入程序控制的打孔设备中，并将普通的金刚石钻齿放置在打孔设备支架上，在聚晶金刚石层待打孔上进行扫描对中定位，开通设备后，激光在待打孔聚晶金刚石层按图纸逐层将金刚石高温碳化，在plc控制器的控制下，对聚晶金刚石层的表面进行等距开设反应孔；

s2、产品密封：将精确打孔的金刚石钻齿的硬质合金基体部分密封于管装的或蜂窝状的耐酸材料的密封容器中，并在密封端口用耐高温材料制成的o型圈进行二次密封，确保在高温的强酸中处于密封状态；

s3、高温高压脱钴装置：采用带特富龙内衬的实验室高压反应釜

s4、配置脱钴溶液：配置体积百分数为20％-80％的h2so4溶液或hno3溶液、体积百分数为20％-80％的hcl或h2f，然后将配置好的溶液放入容器中，将密封好的金刚石钻齿放入有一定压力和温度的高压反应斧中，经过10-30天的化学反应，取出产品清洗后对聚晶金刚石复合体中渗透金属的去除深度进行检测；

s5、x光无损检测：取出产品清洗后通过x光机检测发现金刚石复合体中金属去除深度在1100-1500um；

s6、入库：将检测好的工件封装入库。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤s2中的密封容器由特富龙、pvc、pp或pe中的一种或几种。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤s3中的h2so4溶液的质量分数为20％-80％，所述h2f的质量分数为20％-80％，所述hno3溶液的质量分数为20-80％

本发明所达到的有益效果是：通过脱钴工艺处理过程，残留在金刚石颗粒内部的金属或金属混合物钴与钨，从表面开始慢慢被酸溶液反应腐蚀，从而大部分或全部从聚晶金刚石中去除，通过对聚晶金刚石层进行脱钴处理，脱钴处理后使其热稳定性有大幅提高，耐磨性也得到了提高，目前市场使用的产品脱钴深度在900um以下，本专利工艺将达到1100um-1500um，大幅提高产品的工作效率以及钻齿的使用寿命。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明聚晶金刚石层的结构示意图；

图3是本发明俯视图；

图4是本发明截面图；

图5是本发明封装图；

图6是本发明封装产品在反应容器内截示意图

图中：1、聚晶脱钴层；2、聚晶未脱钴层；3、硬质合金基体；4、反应孔；5、聚晶金刚石层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-6所示，本发明提供一种超深脱钴金刚石钻齿，包括硬质合金基体3，硬质合金基体3的顶部设有聚晶金刚石层5，聚晶金刚石层5包括聚晶脱钴层1与聚晶未脱钴层2，硬质合金基体3的表面与聚晶金刚石层5的表面等距开设有反应孔4。

进一步的，反应孔4为圆形孔或异形孔，确保在一定压力和温度的强酸容器中进行充分反应。

进一步的，聚晶未脱钴层2的一端面与硬质合金基体3相邻，聚晶未脱钴层2的另一面与聚晶脱钴层1相邻，硬质合金基体3、聚晶未脱钴层2与聚晶脱钴层1内的钴含量呈梯度分布且依次降低，脱钴处理后使其热稳定性有大幅度提高，耐磨性也得到了提高。

进一步的，硬质合金基体3的直径与聚晶金刚石层5的直径相同，且硬质合金基体3的圆心与聚晶金刚石层5的圆心在同一条竖直的直线上。

进一步的，聚晶金刚石层5是采用高纯金刚石微粉制成。

进一步的，硬质合金基体3与聚晶金刚石层5之间的结合界面为平面、沟槽状、网格形状或其他形状的有凹凸面形成的界面，以增加硬质合金基体3与聚晶金刚石层5之间的结合强度。

进一步的，硬质合金基体3与聚晶金刚石层5之间的结合界面为含有突起界面或凹面的异形界面，以增加硬质合金基体3与聚晶金刚石层5之间结合强度。

进一步的，对其进行脱钴处理，完成脱钴后硬质合金基体3的含钴量为6-16％，金属未脱钴层2的含钴量为4-12％，聚晶脱钴层1的含钴量为0-2％，脱钴处理后使其热稳定性有大幅度提高，耐磨性也得到了提高。

实施例1

1、将高纯金刚石微粉和成的金刚石复合片毛坯经研磨、外圆磨、平磨、倒角等加工工序加工成16mm直径、13.2mm高度的金刚石钻齿；

2、将加工好的产品放置于激光雕刻机的支架上，通过事先设计好的图纸导入机器或编程设计好打孔位置与大孔尺寸，在聚晶表面完成孔径为1.5mm、深度为1mm、等间距为3mm的打孔，本实施案例的打孔形状为圆形；

3、把打好孔的聚晶钻齿通过工具压入封装的聚四氟乙烯加工的套管中，并在套管端口用o型密封圈进行二次密封；

4、将密封好的产品装入高压反应釜，并在加入配置好的反应溶液，在90-100度温度下反应250小时；

5、冷却后取出产品，清洗干净后通过x光无损检测设备测量，其脱钴深度为1200um。

实施例2

1、将高纯金刚石微粉和成的金刚石复合片毛坯经研磨、外圆磨、平磨、倒角等加工工序加工成19mm直径、16.0mm高度的金刚石钻齿；

2、将加工好的产品放置于激光雕刻机的支架上，通过事先设计好的图纸导入机器或编程设计好打孔位置与大孔尺寸，在聚晶表面完成孔径为1.5mm、深度为0.8mm、等间距为2.5mm的打孔，本实施案例的打孔形状为圆形；

3、把打好孔的聚晶钻齿通过工具压入封装的聚四氟乙烯加工的套管中，并在套管端口用o型密封圈进行二次密封；

4、将密封好的产品装入高压反应釜，并在加入配置好的反应溶液，在90-100度温度下反应300小时；

5、冷却后取出产品，清洗干净后通过x光无损检测设备测量，其脱钴深度为1250um。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。