一种脱钴pdc复合片的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种脱钴PDC复合片的制备方法，以钻齿作为阳极，铜片B作为阴极，通过将钻齿的PDC层和铜片B置入电解液中进行电解从而将PDC层中的钴脱去，具体包括以下步骤：（1）配制电解液，所述电解液呈碱性，电解液的电解质与水的质量比为（15～25）∶500，所述电解质为K2CO3、KOH、Na2CO3、NaOH中一种或多种；（2）将钻齿和铜片B分别与电源连接后置于电解液中，使得PDC层和铜片B浸没在电解液中；（3）接通电源并设置电解电压为0.73～2V进行电解。本发明制备过程简单、对设备要求低、环保无污染，能够有效解决气体脱钴和酸洗脱钴所存在的制备工艺复杂、制备条件苛刻、对设备要求高、污染环境等系列难题。
【专利说明】一种脱钴PDC复合片的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油勘探开采领域中钻进坚硬、复杂难钻地层的一种脱钴PDC钻头复 合片的制备工艺。
【背景技术】
[0002] 地质勘探领域包括石油、页岩气、天然气及煤层气的钻采以及煤田地质、铁路、隧 道工程的勘察等。在地质勘探领域中，对钻头的消耗量，每年不低于5000万只，其中属于坚 硬、破碎复杂难钻地层的钻头消耗量不低于2000万只，因此市场前景广阔。
[0003] 钻头的钻齿主要以切削钻齿和牙轮钻齿为主。牙轮钻齿因优异的抗磨损效率，而 常用于硬质地层的钻进。而切削钻齿主要用于偏中或较软的地层。PDC钻头是目前主要的 切削钻头。在钻入地质夹层时，钻头会受到热磨损和冲击磨损。然而挖掘速率与生产效率 直接相关联，使用PDC复合钻齿的切削相对牙轮钻齿更为有效，即使在较硬的岩层PDC复合 钻齿仍可以近两倍的速度掘进。
[0004] 在聚晶金刚石的合成中，将高纯金刚石微粉与钴粉混合，在1400°C，5. 5GPa下烧 结，金刚石微粉在高温高压下以金刚石界面-金刚石界面（D-D形式）形式界面结合。由 于钴的晶体结构以及晶格常数与金刚石很接近，有助于金刚石晶粒的界面生长推进，且钴 的熔点低，在1400°C为液相，流动性较好，均匀分布在金刚石晶粒之间。另一方面，硬质合 金基底中Co在高温烧结过程中，也会向PDC层扩散。在烧结结束后，PDC层钴的含量为 5% -20%。
[0005] 钻齿在井下工作时，由于摩擦、冲击会产生大量的热。一方面由于钴的热膨胀系数 大于金刚石的热膨胀系数，即受热的钻齿其内部存在钴受热膨胀产生的压应力，而该内应 力会引起金刚石微粒与粘结剂之间形成微裂纹，甚至产生崩刃或者分层，进而大大的缩短 了钻齿的使用寿命。与此同时，该内应力也会降低roc的抗冲击韧性。另一方面在高温的 环境中，钴的存在会促进金刚石的石墨化，主要为降低石墨化温度，加快石墨化速率。当刀 片磨削处温度上升时，粘结剂钴迁移至磨削处并粘附在磨口处可成为反催化剂，促进金刚 石向石墨转换，在表面形成凹坑，导致工作界面的摩擦系数增加，产生高温，进一步加速了 磨削处金刚石的氧化及石墨化。
[0006] 目前市面上关于PDC片脱钴处理研究主要为化学渗法，降低PDC片表面的钴含量， 提高复合片的性能。而比较常见的脱钴方法有：气体脱钴和酸洗脱钴，其中，气体脱钴通常 是在高温高压（250?300°C，1. 5?2. OMpa)下在密闭的设备中通入氯气进行脱钴；酸洗 脱钴是将PDC层在浓酸条件下进行脱钴，两者都取得了一定的脱钴效果。但是这两种方法 均存在诸多缺陷。气体脱钴由于需要在高温高压下进行，无疑增加了工艺的复杂性和成本， 并且对设备要求比较高,需要良好的密封性、耐高压性和抗腐蚀性，同时由于使用了有毒气 体氯气，存在一定危险而且不利于环保。酸洗脱钴也需要在较高温度（通常在KKTC左右） 下进行，增加了工艺成本，而且脱钴过程中所使用到的浓硫酸废液不易处理，易造成环境污 染，同时酸洗脱钴同样对设备的要求比较高、成本也高。
[0007] 中国专利CN103696699A公开了一种脱钴H)C层钻头及其制备工艺，其所涉及的脱 钴工艺是在自动控制仪的封闭容器中盛满浓度低于30%的氯气，加入与反应物的质量比为 0. 22?0. 30%的触媒剂，在温度为250?350°C、压力为1. 5?2. OMPa作用下脱去复合片 金刚石表层中的钴。经过脱钴处理后，PDC层切削齿金刚石表层的脱钴深度为100?300um。 该发明仍然采用气体脱钴法，存在成本高、工艺复杂、对设备要求高、有毒和不环保等缺陷。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种脱钴PDC复合片的制备方法，其原理可靠、制备过程 简单、对设备要求低、环保无污染，能够有效解决气体脱钴和酸洗脱钴所存在的制备工艺复 杂、制备条件苛刻、对设备要求高、污染环境等系列难题。
[0009] 为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
[0010] 本发明的电解法脱钴的基本原理是：以PDC复合钻齿作为阳极，铜片作为阴极，优 选Na2CO3和Κ0Η，或者Na2CO3和NaOH，或者Na 2CO3和KOH的混合溶液作为电解液，将PDC复 合钻齿的PDC层（Co含量为5%?20% )浸在电解液中，硬质合金层与空气和电解液隔绝， 在外电路的作用下，Co原子失去电子，形成Co2+或Co 3+(Co3+是在反应的后期形成），并在电 场作用下，迁移至roc层表面，与溶液中的co 32_反应，生成CoCO3沉淀，从而将roc层中的Co 脱去。
[0011] 钻齿由聚晶金刚石层（PDC层）与硬质合金层（WC-Co)两部分构成，聚晶金刚石层 用于岩石的破碎及磨削，硬质合金用于把持聚晶金刚石层，且焊接于钻头胎体内。由于硬质 合金在电解时，极易氧化或被电解液腐蚀，所以电解时对硬质合金层进行了表面包覆处理， 以隔绝空气和电解液。
[0012] 一种脱钴PDC复合片的制备方法，以钻齿作为阳极，铜片B作为阴极，通过将钻齿 的PDC层和铜片B置入电解液中进行电解从而将PDC层中的钴脱去，具体包括以下步骤：
[0013] (1)配制电解液，所述电解液呈碱性，电解液的电解质与水的质量比为（15?25): 500,所述电解质为K 2C03、Κ0Η、Na2C03、NaOH中一种或多种；
[0014] (2)将钻齿和铜片B分别与电源连接后置于电解液中，使得PDC层和铜片B浸没在 电解液中；
[0015] (3)接通电源并设置电解电压为0. 73?2V进行电解。
[0016] 在进行电解之前，对钻齿的硬质合金层进行表面包覆处理，具体步骤如下：通过导 电银浆把铜片A粘接于硬质合金层顶部，再将导电膏涂覆在铜片A和硬质合金层周围，进一 步加固铜片A与硬质合金层的粘接；然后用聚四氟乙烯薄膜将铜片A和硬质合金层表面包 覆，与空气及电解液隔离。
[0017] 所述电解液包括 Na2C03、1(0!1和 H2O 时，Na2C03、1(0!1和 H2O 的质量比是 10:10:500， 脱钴效果非常理想。
[0018] 所述电解电压为0. 8?I. 5V时，可达到较好的脱钴效果。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明以PDC层作为阳极，铜片B作 为阴极，通过在碱性环境下电解的方式对roc层进行脱钴处理从而获得脱钴roc层，其制备 过程简单、对设备要求低、环保无污染，能够有效解决气体脱钴和酸洗脱钴所存在的制备工 艺复杂、制备条件苛刻（需要高温高压）、对设备要求高、污染环境等系列难题。并且采用本 发明所述电解脱钴的方法，其脱钴效果明显，能够达到400?600 μ m的脱钴深度。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明脱钴PDC复合片制备方法的原理图。
[0021] 图2是PDC复合片电解前在元素探测扫描仪下的形貌图。
[0022] 图3是PDC复合片电解后在元素探测扫描仪下的形貌图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0024] PDC的生产是将金刚石微粉与少量的Co混合，在高温（1500°C )高压（5. 5GPa)环 境下，低熔点的Co液化包覆在金刚石微粉周围。由于Co在高温高压下有催化作用，促进金 刚石微晶的界面推进，金刚石晶粒之间以金刚石界面-金刚石界面（D-D形式）相互连接形 成网络，并且Co通常以下三种形式存在与金刚石晶粒之间：第一种，球状Co均匀分布在金 刚石晶粒间的角隅；第二种，Co均匀分布在金刚石晶界之间，呈叶脉状；第三种，少量的Co 聚集在PDC层中，呈岛状。
[0025] 图1是本发明电解脱钴的原理图。
[0026] 钻齿由聚晶金刚石层（PDC层）与硬质合金层（WC-Co)两部分构成。本发明是以 钻齿作为阳极，铜片（或导电性良好的其他金属）作为阴极，通过将PDC复合片置入电解液 中进行电解从而将PDC复合片中的钴脱去。其具体电解过程是：当电源接通后，电解液中 大量的OH'CO广在电场力的作用下迁移至PDC复合片周围。已知Co在碱性环境下的标准 Co2+/Co标准电极电势Φ Θ = -0. 73V，而水的电极电位为02/H20 = I. 3V，所以Co会优先失 去电子。因此，在PDC复合片中的少量的金属Co在外电场的作用下优先失去电子形成Co2+。 Co2+与聚集在PDC复合片周围的⑶32_发生反应生成CoCO 3沉淀，从而将PDC复合片中的钴 脱去。
[0027] 在电解过程中，PDC层表面的Co优先电解，随着表面的Co在电解过程中不断被电 解，在复合片的表面会不断形成微小的孔隙，电解液通过该孔隙进入PDC较内层，并将内部 Co发生电解。直到由于孔隙的毛细张力，电解液不能再继续深入PDC层的孔隙，则PDC层内 部的Co无法被电解，所以该电解法脱钴的深度为400?600um。
[0028] -种脱钴PDC复合片的制备方法，主要包括以下步骤：
[0029] 配制电解液；
[0030] 将钻齿和铜片B分别与电源导电连接后置于电解液中，使得钻齿的PDC层浸没在 电解液中；
[0031] 接通电源并设置电解电压为0. 73?2V进行电解。
[0032] 在进行电解之前，通过导电银浆将焊接好电极的铜片A固定在硬质合金层顶部， 并在铜片A和硬质合金层周围涂覆导电膏，以确保硬质合金层与连接有电极的铜片A之间 接触良好。同时在硬质合金层的表面包覆有一层聚四氟乙烯薄膜，从而使得硬质合金层与 空气隔绝，避免在电解Co的过程中对硬质合金层造成腐蚀。
[0033] 下面结合实施例并从以下几个方面对本发明进行详细说明。需要说明的是本发明 的所有实施例的电解时间均是24h。
[0034] 一、电解液的配制
[0035] 电解液的浓度不同，溶液中载流子的浓度也不一样，溶液的导电性也会有所差异。 为得到更好的电解效果（脱钴效果），本发明采用在相同的电压下，研究不同电解液配比对 电解效果的影响。表1列出了在相同电解电压、不同电解液的条件下的电解效果。
[0036] 表1在相同电解电压、不同电解液的条件下的电解效果
【权利要求】
1. 一种脱钴PDC复合片的制备方法，以钻齿作为阳极，铜片B作为阴极，通过将钻齿的 PDC层和铜片B置入电解液中进行电解从而将PDC层中的钴脱去，具体包括以下步骤： (1)配制电解液，所述电解液呈碱性，电解液的电解质与水的质量比为（15?25):500， 所述电解质为K2C03、KOH、Na2C03、NaOH中一种或多种； (2 )将钻齿和铜片B分别与电源连接后置于电解液中，使得PDC层和铜片B浸没在电解 液中； (3)接通电源并设置电解电压为0. 73?2V进行电解。
2. 如权利要求1所述的脱钴PDC复合片的制备方法，其特征在于，在进行电解之前，对 钻齿的硬质合金层进行表面包覆处理。
3. 如权利要求2所述的脱钴roc复合片的制备方法，其特征在于，所述表面包覆处理步 骤如下：通过导电银浆把铜片A粘接于硬质合金层顶部，再将导电膏涂覆在铜片A和硬质合 金层周围，然后用聚四氟乙烯薄膜将铜片A和硬质合金层表面包覆。
4. 如权利要求1所述的脱钴PDC复合片的制备方法，其特征在于，所述电解液包括 似2〇)3、1(011和 H20,且 Na2C03、K0I^P H20 的质量比是 10:10:500。
5. 如权利要求1所述的脱钴PDC复合片的制备方法，其特征在于，所述电解电压为 0? 8 ?1. 5V。
【文档编号】C25F5/00GK104389012SQ201410562957
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】薛屺, 范萍, 张进, 李松霞 申请人:西南石油大学