孕鑲金剛石膜的鑽頭的製作方法

2023-05-21 12:06:31

專利名稱：孕鑲金剛石膜的鑽頭的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於機械加工領域，涉及到一種用來勘探、開採能源的地質鑽頭，鑽頭 是用孕鑲化學氣相沉積(CVD)金剛石膜而製作的。
技術背景 傳統孕鑲金剛石鑽頭多採用合金粉末為胎體材料，以微米量級的金剛石顆粒均勻 或雜亂地分布在胎體中。由於金剛石顆粒大小不同，分布和受力不均勻，特別是沿著深度 分布不均勻，及受胎體的附著性能好壞的影響，金剛石顆粒容易在鑽探過程過脫落，滾動， 嚴重影響了金剛石鑽頭的耐磨損性能、鑽進效率和使用壽命。另外，孕鑲金剛石鑽頭的底 唇面都根據不同基巖地質體要求進行了形狀設計，因為底唇面都是由合金粉末(包括金剛 石粉)或和較大粒度的金剛石晶粒組成的，鑽進過程中，特別是經過堅硬、研磨性強的地層 時，一段時間後，鑽頭的底唇面易磨損成為平面或圓弧形，底唇面磨損後，發生功能退化，大 幅降低鑽進效率，增加了成本。 與本實用新型最接近的現有技術是一項名稱為"仿生孕鑲金剛石鑽頭及其製造方 法"，申請號200610016924. 6的專利申請。所設計的一種仿生孕鑲金剛石的鑽頭，是在胎體 和耐磨材料中引入金剛石聚晶等材料作為非光滑型態材料，提高了鑽頭的功效，取得較好 效果。除了其他材料之外，僅提到用金剛石聚晶柱做耐磨材料
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是，將CVD金剛石膜用於地質鑽頭製造，設計一種 在使用過程中不脫粒、性能穩定、耐磨損性高和使用壽命長的鑽頭。 為達到不脫粒、性能穩定、耐磨損性高和使用壽命長的鑽頭；在鑽頭中，用CVD金 剛石厚膜代替傳統的金剛石粉末或顆粒或金剛石聚晶，通過一定的分布形態，將CVD金剛 石膜或金剛石膜和金剛石顆粒混合嵌入到鑽頭的底唇面或/和側面，使鑽探鑽頭的耐磨性 更強，保證鑽頭底唇面的粗糙度和有效出刃，並有效地保徑，特別是提高鑽探堅硬、研磨性 強的地層時的能力，提高其鑽進效率、工作距離和使用壽命。該實用新型製造的金剛石膜鑽 頭，成本低，工藝簡單，易於推廣。 CVD金剛石膜的製作是採用現有的成型的技術完成的。CVD方法可以是微波等離 子體CVD法(MPCVD)、電子輔助熱燈絲CVD法(EA-HFCVD)、直流熱陰極輝光等離子體CVD法 或直流噴射等離子體CVD方法等。CVD方法製備的多晶金剛石膜，其硬度接近天然金剛石， 另外多晶金剛石膜晶粒之間的強相連性，使用過程中不脫粒，始終保持一定的粗糙度和有 效出刃，又耐磨損性高和使用壽命性能穩定的特點，使其稱為製作超硬工具的理想材料。 本實用新型的孕鑲金剛石膜的鑽頭的結構是 —種孕鑲金剛石膜的鑽頭，由鋼體1和工作層2構成，其特徵在於，工作層2由胎 體材料3和CVD金剛石膜4組成；金剛石膜4鑲嵌排列在胎體材料3中；所述的金剛石膜4 是片狀或/和條柱狀的，金剛石膜4的長度小於或等於工作層2的厚度，寬度1 5mm。
3與鑽頭的軸線平行鑲嵌在胎體材料3中。如果金剛
石膜4的長邊與鑽頭的軸線垂直，在使用過程中金剛石膜4容易脫落。 在金剛石膜4之間可以鑲嵌有金剛石晶粒5，也就是在胎體材料3中含有金剛石晶粒5。 還可以在工作層2的內或/和外側面鑲嵌有片狀或者條柱狀金剛石膜；起著保徑 的作用。或在工作層2內或/和外側面的金剛石膜4 一直延伸到底唇面，同時起到保徑和 增強底唇面的作用。 鑽頭成型方式包括一次成型和鑲塊式二次成型。 一次成型是指燒結型熱壓金剛石 鑽頭，鑲塊式二次成型是先燒結出金剛石孕鑲塊，然後把孕鑲塊鑲焊在銑好的鋼體上形成 鑽頭。其中燒結是指的把要燒結的樣品放入加工好的石墨模具中，在中頻感應爐中加熱燒 結。燒結採用的保壓壓力根據樣品的面積不同為1 20MPa，燒結溫度為900 IIO(TC，保 溫保壓時間為5 10min。鑲焊是指把樣品放入高頻加熱設備中，在700 90(TC的溫度下 把燒結好的金剛石孕鑲塊在焊料輔助下與銑好的剛體焊接在一起，最後拋光以處理掉周圍 滲出的焊料和其他多餘的部分。 採用一次成型方法製作孕鑲金剛石膜的鑽頭的具體過程如下所述 孕鑲金剛石膜的鑽頭的製作方法，有金剛石膜的切割、鑽頭成型的過程； 所說的金剛石膜的切割，使用CVD方法生長的金剛石膜4是自支撐膜，厚度在
0. 5 3mm之間，用雷射切割機將金剛石膜4切割成片狀或條柱狀； 所說的鑽頭成型，是在石墨模具中放入胎體材料3，在胎體材料3中擺放金剛石膜
4作為工作層2 ;再放入鋼體l ;將裝有要燒結樣品的石墨模具放在中頻感應爐中加熱燒結；
燒結採用的保壓壓力為1 20MPa，燒結溫度為900 IIO(TC，保溫保壓時間為5 10min， 燒結成一體形成鑽頭。 採用鑲塊式二次成型方法製作孕鑲金剛石膜的鑽頭的具體過程是 孕鑲金剛石膜的鑽頭的製作方法，有金剛石膜的切割、工作層的燒結成型和鑽頭
的焊接成型的過程； 所說的金剛石膜的切割，使用CVD方法生長的金剛石膜4是自支撐膜，厚度在 0. 5 3mm之間，用雷射切割機將金剛石膜4切割成片狀或條柱狀； 所說的工作層的燒結成型，是在胎體材料3中擺放金剛石膜4，放入石墨模具中， 在中頻感應爐中加熱燒結；燒結採用的保壓壓力為1 20MPa，燒結溫度為900 IIO(TC， 保溫保壓時間為5 10min，形成工作層2 ; 所說的鑽頭的焊接成型，是把工作層2和剛體1以及在二者之間放置焊料的樣品 放入高頻加熱設備中，在700 90(TC的溫度下焊接成型，最後拋光處理。 無論採用一次成型方法還是採用鑲塊式二次成型方法，都可以將金剛石晶粒5先 均勻粘在條柱狀或片狀金剛石膜4上，然後再鑲嵌在胎體材料3中；或者將金剛石晶粒5混 合孕鑲在胎體材料3中，最後燒結成在金剛石膜4之間鑲嵌有金剛石晶粒5的鑽頭。 片狀或條柱狀金剛石膜4可使用雷射器將大面積CVD金剛石膜切割而成，金剛石 膜的厚度可在0. 5 3mm範圍，尺寸因鑽頭設計而定。片與片之間或條柱與條柱之間的距 離可根據設計確定。 採用上述方案的金剛石膜地質鑽頭及製作工藝，使金剛石膜在胎體中按照設計的
4方式，可分為片狀，條柱狀，片狀和條柱狀金剛石膜混合或以上三種分別與金剛石顆粒混 合排布。針對不同的地質情況，可以採用不同的金剛石膜排列方式，使其發揮最大作用，增 加了鑽頭的耐磨性，減小了切割粘附性、降低了切削摩擦阻力、提高了切削效率和工具的壽 命。與普通金剛石鑽頭比較，具有壽命長、鑽速快、能耗低、防粘巖粉能力強等特點，並可以 有保徑作用，極大地節約能耗、降低成本、提高了產品質量。 綜上，本實用新型是一種可以顯著提高工作效率和延長鑽頭使用壽命的產品。其 特點是 1)用金剛石膜代替或部分代替金剛石顆粒，保證了鑽探過程中金剛石不脫粒或少 脫粒、鑽頭底唇面的粗糙度和有效出刃，使鑽進效率、鑽進距離大幅提高，性能穩定、使用壽 命長。 2)可根據鑽頭的特點及用途，採用多種片狀或條柱形金剛石膜、以及底唇部、側面 分布形態的設計。

圖1是本實用新型的孕鑲金剛石膜的鑽頭總體結構剖面圖。
圖2是本實用新型的鑲嵌條柱狀金剛石膜鑽頭工作層唇面和剖面示意圖。 圖3是本實用新型的鑲嵌片狀金剛石膜的鑽頭工作層唇面和剖面示意圖。 圖4是本實用新型的鑲嵌條柱狀和片狀金剛石膜的鑽頭工作層唇面和剖面示意圖。 圖5是本實用新型的在金剛石膜之間鑲嵌有金剛石晶粒的鑽頭工作層唇面和剖 面示意圖。 圖6是本實用新型的鑲嵌片狀金剛石膜有保徑作用的鑽頭工作層唇面和剖面示 意圖
具體實施方式下列實施例是對本實用新型的進一步說明，而不是局限本實用新型的範圍。 實施例1結合附圖說明本實用新型的孕鑲金剛石膜的鑽頭總體結構 在圖1 4中，1為鋼體，2為工作層，3為胎體材料，4為金剛石膜，5為金剛石晶 粒。其中，胎體材料3中孕鑲金剛石膜4構成工作層2。 與現有的鑽頭相同，孕鑲金剛石膜的鑽頭也是由鋼體1和工作層2順次同軸線固 定在一起構成，但是，本實用新型的工作層2是由金剛石膜4鑲嵌排列在胎體材料3中構 成，見圖1。所述的金剛石膜4可以是片狀的，如圖3;可以是條柱狀的，如圖2 ;可以是片狀 和條柱狀相間排列的，如圖4。 金剛石膜4的長度小於或等於工作層2的厚度，寬度為1 5mm。片狀的金剛石膜
4的寬度一般為3 5mm，條柱狀的金剛石膜4的寬度一般為1 3mm。 片狀的金剛石膜4在底唇部分布是，片狀金剛石膜4的橫邊與鑽頭橫截面的徑向
垂直，即沿著鑽頭轉動切線方向分布的；條柱狀金剛石膜4在底唇部分布形態，是隨機或規
律分布；或條柱狀金剛石膜與片狀金剛石膜相間排布。 實施例2金剛石膜4之間鑲嵌有金剛石晶粒5的鑽頭的結構[0041] 圖5給出本實用新型的在金剛石膜之間鑲嵌有金剛石晶粒的鑽頭工作層的唇面 和剖面示意圖。其中5為金剛石晶粒。金剛石晶粒5可以混合孕鑲在胎體材料3中；也可 以將金剛石晶粒5先均勻粘在條柱狀或片狀金剛石膜4上，然後再鑲嵌在胎體材料3中，圖 5所示的就是後一種情況的結構。 實施例3金剛石膜4起保徑作用的鑽頭的結構 圖6給出本實用新型的金剛石膜起保徑作用的鑽頭工作層的唇面和剖面示意圖。 其中金剛石膜4的表面暴露在工作層2的內或/和外側面，在使用過程中起保徑的作用。條 柱狀金剛石膜4的側面也可以暴露在工作層2的內或/和外側面，在使用過程中同樣起保 徑的作用。 實施例4金剛石膜4的製備和切割 本實用新型所提到的實施例所用的多晶金剛石膜4可以是採用微波等離子體CVD 設備生長的，在單晶Si上高速生長多晶金剛石，生長之後將Si用化學方法處理掉，獲得自 支撐的高質量多晶金剛石膜。 本實用新型所提到的實施例所用的多晶金剛石膜4也可以是採用本實用新型的 科研課題組研發的熱陰極輝光放電CVD設備中生長的，能夠生長出高質量的多晶金剛石 膜。 本實用新型所提到的實施例所用的多晶金剛石膜4還可以是採用本實用新型的 科研課題組自行改裝的電子輔助熱燈絲CVD設備生長的，能夠大面積的生長多晶金剛石膜。 本實用新型所提到的實施例中對金剛石膜4的切割，所使用的雷射器是多功能固 體脈衝雷射器。通過編程控制可以切割任意形狀的多晶金剛石片或金剛石條。 實施例5本實用新型的孕鑲金剛石膜的鑽頭一次成型的製備(1) 取40粒切割好的片狀金剛石膜4按圖3給出的位置均勻的鑲嵌在胎體材料3中， 成為工作層2材料，將工作層2材料裝入石墨模具中壓實後放入鋼體1，烘乾後在高溫高 壓的條件下燒結熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫後加工水口和螺紋，即為孕鑲金 剛石條鑽頭。燒結採用的保壓壓力根據樣品的面積不同為1 20MPa，燒結溫度為900 IIO(TC，保溫保壓時間為5 10min。 實施例6本實用新型的孕鑲金剛石膜的鑽頭一次成型的製備(2) 取40粒切割好的條柱狀金剛石膜4按圖2給出的位置均勻的鑲嵌在胎體材料3
中，成為工作層2材料，將工作層2材料裝入石墨模具中壓實後放入鋼體1 ，烘乾後在高溫高
壓的條件下熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫後加工水口和螺紋，即為孕鑲金剛石
條鑽頭。工藝條件同實施例5。 實施例7本實用新型的孕鑲金剛石膜的鑽頭一次成型的製備(3) 取32粒切割好的條柱狀的金剛石膜4和40粒片狀的金剛石4按圖4給出的位置
均勻的鑲嵌在胎體材料3中，成為工作層2材料，將工作層2材料裝入石墨模具中壓實後放
入鋼體1 ，烘乾後在高溫高壓的條件下熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫後加工水口
和螺紋，即為孕鑲金剛石膜鑽頭。工藝條件同實施例5。 實施例8本實用新型的孕鑲金剛石膜的鑽頭一次成型的製備(4) 取32粒切割好的條柱狀的金剛石膜4和40粒片狀的金剛石膜4和一定數量的金
6剛石晶粒5均勻的鑲嵌在胎體材料3中，成為工作層2材料，金剛石膜4和金剛石晶粒5可 以參考圖5給出的位置排列；將工作層2材料裝入石墨模具中壓實後放入鋼體l，烘乾後在 高溫高壓的條件下熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫後加工水口和螺紋，即為孕鑲 金剛石條鑽頭。工藝條件同實施例5。 實施例9本實用新型的孕鑲金剛石膜的鑽頭鑲塊式二次成型的製備 取32粒切割好的條柱狀的金剛石膜4和40粒片狀的金剛石膜4和一定數量的 金剛石晶粒5均勻的鑲嵌在胎體材料3中，成為工作層2材料，金剛石膜4和金剛石晶粒5 可以參考圖5給出的位置排列；將工作層2材料裝入石墨模具中壓實，烘乾後在高溫高壓 的條件下燒結熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫後把樣品放入高頻加熱設備中，在 700 900°C的溫度下把熱壓好的工作層2在銀銅焊料輔助下與銑好的剛體1焊接在一起， 最後拋光以處理掉周圍滲出的焊料和其他多餘的部分。最後加工水口和螺紋，即為孕鑲金 剛石條鑽頭。其中燒結熱壓的工藝條件同實施例5。
權利要求一種孕鑲金剛石膜的鑽頭，由鋼體(1)和工作層(2)構成，其特徵在於，工作層(2)由胎體材料(3)和化學氣相沉積金剛石膜(4)組成；金剛石膜(4)鑲嵌排列在胎體材料(3)中；所述的金剛石膜(4)是片狀或/和條柱狀的，金剛石膜(4)的長度小於或等於工作層(2)的厚度，寬度1～5毫米。
2. 按照權利要求l所述的孕鑲金剛石膜的鑽頭，其特徵在於，在金剛石膜(4)之間鑲嵌 有金剛石晶粒(5)。
3. 按照權利要求1或2所述的孕鑲金剛石膜的鑽頭，其特徵在於，在工作層(2)的內或 /和外側面鑲嵌有片狀或者條柱狀金剛石膜(4);或在工作層(2)的內或/和外側面的金剛 石膜(4) 一直延伸到底唇面。
4. 按照權利要求1或2所述的孕鑲金剛石膜的鑽頭，其特徵在於，片狀的金剛石膜(4) 在底唇部分布是，片狀金剛石膜(4)的橫邊與鑽頭橫截面的徑向垂直，即沿著鑽頭轉動方 向的切向分布；條柱狀金剛石膜(4)在底唇部分布形態，是隨機或規律分布；或條柱狀金剛 石膜與片狀金剛石膜相間排布。
專利摘要本實用新型的孕鑲金剛石膜的鑽頭及其製作方法屬於機械加工領域。鑽頭是由鋼體(1)和工作層(2)構成，工作層(2)包含化學氣相沉積的金剛石膜(4)和硬質胎體材料(3)。金剛石膜(4)按要求形態分布於工作層(2)中。鑽頭成型方式包括一次成型和鑲塊式二次成型。一次成型是指燒結型熱壓金剛石鑽頭，鑲塊式二次成型是先燒結出金剛石孕鑲塊，然後把孕鑲塊鑲焊在銑好的鋼體上形成鑽頭。本實用新型的鑽頭增強了耐磨性，減小了切割粘附性，保證鑽頭底唇面的粗糙度和有效出刃，並可有效地保徑，提高了切削效率和工具的壽命。與普通金剛石鑽頭比較，具有壽命長、鑽進效率高、工作距離長、能耗低、防粘巖粉能力強等特點。
文檔編號E21B10/46GK201460746SQ20092009402
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月20日 優先權日2009年7月20日
發明者劉軍偉, 呂憲義, 李紅東, 王啟亮 申請人:吉林大學