覆蓋cvd金剛石塗層的鑽探用金剛石複合片的製作方法
2023-04-25 03:09:51
專利名稱：覆蓋cvd金剛石塗層的鑽探用金剛石複合片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種覆蓋CVD金剛石塗層的鑽探用金剛石複合片，屬於機 械和工具領域。
背景技術：
金剛石複合片(英文Polycrystalline Diamond Composite,通常簡寫為PDC)， 其結構為主體是圓柱型硬質合金，硬質合金的一個端面緊連著一層平面或球面 的聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond,通常簡稱為PCD)。製造過程是採用特 殊的結構和方式將硬質合金和金剛石粉組裝在一起，利用高溫高壓使硬質合金 中的鈷變為液態向金剛石粉滲透，並使金剛石粉彼此鍵合形成與硬質合金緊密 結合的聚晶金剛石層。
鈷是石墨和金剛石互相轉變的催化劑。在高壓高溫下它可使石墨轉化為金 剛石，但在常壓或壓力不夠高而溫度較高的情況下，又促使金剛石轉化為石墨。 由於聚晶金剛石層中含有少量的鈷，故其耐溫性較差，只能耐受70(TC的溫度。 當溫度高於70(TC或溫度雖低於但長時間接近70(TC時， 一方面鈷對金剛石的侵 蝕作用使得金剛石顆粒晶界處石墨化，結合強度變差，另一方面殘留的鈷比金 剛石的熱膨脹係數高得多，其高溫膨脹驅使金剛石顆粒間結合鍵斷裂從而使 PCD層變得鬆散甚至出現裂紋。溫度越高，這種影響就越大。
石油開採中所用的鑽頭很多是採用這種PDC片作為鑽齒。金剛石是目前人 類可獲得的最硬物質，這個特性使得金剛石複合片鑽頭可以獲得很長的使用壽 命。極好的鑽頭可以一次性完成一口油井的鑽探，而不需要多次更換鑽頭。隨著人們對提高打井效率和降低鑽井成本要求的不斷提高，傳統的PDC鑽 頭齒越來越不能滿足高速打井的需要。因為打井速度提高了，則鑽頭的PCD部 分與巖石泥沙切削磨削的速度就要提高，於是PCD表面的溫度就會提高，表面 硬度和強度下降，從而嚴重降低鑽頭的使用壽命。
人們採用了很多辦法來提高PDC齒的耐高溫性能。多數企業採用的辦法是 提高PCD層中金剛石顆粒的鍵合強度、降低PCD層中的殘餘鈷含量。
英國公司ReedHycalogUK,Ltd.獲得了 個酸處理去鈷的專利United States Patent No. 6,861,098。專利的內容是採用酸腐蝕或其它化學方法使PCD層表面及 一定深度的鈷被去除，其原來的位置變成一個個的小空洞。這種辦法雖然使得 PCD層表面的強度下降20-30%,但由於表層一定深度不再含鈷，其耐溫性得到 很大提高，鑽頭的使用壽命也得以人幅提高。
該專利的做法雖在很大程度上改善了 PDC鑽頭齒的性能，但由於PCD表層 存在很多微孔，其抗衝擊性下降了 20%以上。另外，微孔的存在也使得PDC鑽 頭齒不能達到最佳的耐磨性和使用壽命。 發明內容
為了克服現有技術結構的不足，本實用新型提供一種覆蓋CVD金剛石塗層的 鑽探用金剛石複合片。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是PDC片的PCD表面沉積
有一層0.01-2mm厚的CVD金剛石膜。
採用化學氣相沉積的辦法在PDC片的PCD表面沉積覆蓋一層0.01-2mm厚 的CVD金剛石膜。這樣就產生出一種覆蓋CVD金剛石塗層的鑽探用金剛石復 合片。
CVD金剛石膜是一種多晶純金剛石材料，相鄰顆粒之間緊密無隙鍵合，無論是耐溫性還是耐磨性都遠遠超過酸處理後帶有微孔的聚晶金剛石(PCD)。因此 其使用壽命也會比去鈷處理的PDC鑽齒更長。
由於通常金剛石膜生長需要65(TC以上的高溫，而PCD層中的鈷在這種溫度下 會侵蝕PCD層，也會侵蝕PCD與CVD金剛石的界面從而降低兩者之間的結合強度， 因此本專利不排除在沉積CVD金剛石膜之前先對PCD層進行去鈷處理。
如果採用基體溫度50(TC以下的氣相沉積生長技術，則可以簡化去鈷處理甚 至直接在PCD表面沉積覆蓋一層0.01-2腿厚的CVD金剛石膜。
本實用新型的有益效果
實施本專利，可使現有鑽探用金剛石複合片的表面覆蓋一層CVD金剛石膜， 大大提高其耐溫性與耐磨性，從而使鑽頭的使用壽命得以大幅提高。以下結合附圖和實施例對實用新型進一歩說明。
圖1為本實用新型示意圖。
具體實施方式
實施例l:如
圖1所示， 一種覆蓋CVD金剛石塗層的鑽探用金剛石複合片，
採用化學氣相沉積的辦法在PDC片1的PCD表面2沉積覆蓋一層0.01-2mm厚 的CVD金剛石膜3。
一種覆蓋CVD金剛石層的鑽探用金剛石複合片製作方法，有在沉積CVD金 剛石膜之前先對PCD層進行去鈷處理的步驟；
步驟如下
將PCD的金剛石層浸沒在1:3硝酸水溶液(或其它脫鈷液)中半小時(或更長 時間)；
或用2.5。/。CO-H2等離子體(其它活性等離子體)選擇性刻蝕Co;或用Ar離子濺射等方法刻蝕PCD表面，降低Co含量；
採用化學氣相沉積的辦法在PDC片的PCD表面沉積覆蓋一層0.01-2mm厚 的CVD金剛石膜； 步驟如下
將表面處理過的PCD片放入真空腔室的基片臺上，PCD表面溫度控制在65CTC 左右，採用微波等離子體、直流輝光放電等離子體、等離子體噴射、熱絲法等 等化學氣相沉積方法，將含碳氣源(或液體源)分解，在PCD表面沉積覆蓋一層 0. 01-2mm厚的CVD金剛石膜。
實施例2: —種覆蓋CVD金剛石層的鑽探用金剛石複合片製作方法，在沉積
CVD金剛石膜之前沒有對PCD層進行去鈷處理的歩驟； 步驟如下
將PCD片放入真空腔室的基片臺上，PCD表面溫度控制在50(TC以下，採用微 波等離子體、直流輝光放電等離子體、等離子體噴射、熱絲法等等化學氣相沉 積方法，將含碳氣源(或液體源)分解，在PCD表面沉積覆蓋一層O. 01-2mm厚的 CVD金剛石膜。
實施例3: —種覆蓋CVD金剛石層的鑽探用金剛石複合片製作方法，在大氣 環境中進行沉積；
將PCD片放入大氣氣氛的基片臺上，採用弧光放電、多雷射束輔助分解等化 學氣相沉積方法，將含碳氣源(或液體源)分解，在PCD表面沉積覆蓋一層 0. 01-2mm厚的CVD金剛石膜。
權利要求1.一種覆蓋CVD金剛石塗層的鑽探用金剛石複合片，其特徵是PDC片的PCD表面沉積有一層0.01-2mm厚的CVD金剛石膜。
專利摘要一種覆蓋CVD金剛石塗層的鑽探用金剛石複合片。該新材料是採用在常規金剛石複合片的表面用化學氣相沉積的辦法沉積一層金剛石薄膜，而得到的新型金剛石複合片。在PDC片1的PCD表面2沉積覆蓋一層0.01-2mm厚的CVD金剛石膜3。本專利採用微波等離子體、直流輝光放電等離子體、等離子體噴射、熱絲法、弧光放電、多雷射束輔助分解等等化學氣相沉積方法，將含碳氣體或液體分解，在經過處理的PCD表面沉積一層0.01-2mm厚的CVD金剛石膜。所得到的新型材料大大提高了常規金剛石複合片的耐溫性與耐磨性，從而使用該材料製成的鑽頭的使用壽命得以大幅提高。可廣泛應用於鑽探行業和建築、機械加工行業。
文檔編號C23C16/27GK201367855SQ20082023378
公開日2009年12月23日 申請日期2008年12月24日 優先權日2008年12月24日
發明者陳繼鋒 申請人:陳繼鋒