本發(fā)明涉及超硬材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于孕鑲金剛石原位沉積生長金剛石涂層的工藝方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)資源消耗不斷增加，地質(zhì)找礦鉆探正向深部、超深部發(fā)展，隨著鉆探深度的增加，地質(zhì)硬度也隨著增加，使得深孔地質(zhì)鉆探的難度越來越大。普通鉆頭在鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石地層時(shí)，容易出現(xiàn)鉆進(jìn)效率低，鉆頭壽命短、采取率比較低等情況，很大程度上阻礙了鉆探工作的進(jìn)行。而孕鑲金剛石鉆頭可以有效解決普通鉆頭所遇到的困難，其通過孕鑲在胎體中的金剛石對(duì)地層的磨削完成鉆進(jìn)。然而在鉆進(jìn)過程中，孕鑲鉆頭上的金剛石會(huì)隨著胎體的不斷磨削而持續(xù)脫落，最終使得胎體對(duì)金剛石的包鑲力度不夠而使金剛石發(fā)生脫落，從而導(dǎo)致鉆頭壽命與鉆進(jìn)效率也大大降低。

目前較為常用的兩種鉆頭之一的pdc鉆頭在適應(yīng)地層中具有機(jī)械鉆速快、進(jìn)尺高、鉆壓較小特點(diǎn)，在鉆井工程中得到了廣泛應(yīng)用，但因?yàn)閜dc鉆頭的金剛石復(fù)合片中金剛石層只有2mm左右，金剛石含量較低，因此對(duì)于硬研磨性地層來說，pdc鉆頭的pdc復(fù)合片容易脆裂并磨損失效，使其壽命小，進(jìn)尺低。pdc鉆頭在硬研磨性地層鉆進(jìn)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)殂@頭失效而起鉆。所以pdc鉆頭在硬研磨性地層中具有一定的局限性。

另外一種常用鉆頭孕鑲金剛石鉆頭，鉆頭上的金剛石顆粒會(huì)隨著胎體的不斷磨削而持續(xù)脫落，最終使得胎體對(duì)金剛石的包鑲力度不夠而使金剛石發(fā)生脫落，從而導(dǎo)致鉆頭壽命與鉆進(jìn)效率也大大降低。

為了改進(jìn)孕鑲鉆頭等鉆頭壽命和鉆進(jìn)效率降低的問題，國內(nèi)外申請(qǐng)人進(jìn)行的大量的研究，如申請(qǐng)?zhí)?00610016924.6的專利“仿生孕鑲金剛石鉆頭及其制造方法”，所設(shè)計(jì)的鉆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(tài)材料，提高了鉆頭的功效。該專利設(shè)計(jì)是旨在優(yōu)化鉆頭胎體的基礎(chǔ)上提高鉆頭的性能。另外公開號(hào)為101608533的專利“孕鑲金剛石膜的鉆頭及其制備方法”，在鉆頭中用cvd金剛石厚膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金剛石顆粒，通過一定的分布形態(tài)，將金剛石條嵌入到鉆頭的底唇面或側(cè)面，使得鉆頭的耐磨性更強(qiáng)，鉆進(jìn)效率和使用壽命都得到了提高。

但是，上述兩件專利中提到的改進(jìn)均不是特別理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于孕鑲金剛石原位沉積生長金剛石涂層的工藝方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于孕鑲金剛石原位沉積生長金剛石涂層的工藝方法，包括以下步驟：

(1)酸洗

取孕鑲金剛石基體置于酸溶液中，酸洗，腐蝕除去表面的co；

(2)超聲清洗

取酸洗后的孕鑲金剛石基體，置于金剛石微粉的懸浮液中，超聲處理；

(3)氫等離子體刻蝕

再將酸洗和超聲清洗后孕鑲金剛石基體放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入氫氣，進(jìn)行等離子體刻蝕；

(4)原位沉積生長金剛石涂層

刻蝕完成后，繼續(xù)通入氫氣，并同時(shí)通入ch4氣體，原位沉積，冷卻，即得到表面生長有金剛石涂層的孕鑲金剛石。

步驟(1)中，所述的酸溶液為10～20wt％hno3溶液，酸洗時(shí)間為10～20min。

步驟(2)中，所述的金剛石微粉呈微晶或納米大小，其懸浮液所用溶劑選自乙醇或丙酮。

超聲處理的工藝條件為：處理時(shí)間為0.2-0.8h，超聲頻率36-45khz。

刻蝕的工藝條件為：在氣壓為10-15kpa，微波功率為1000-1500w的條件下，通入200sccm的氫氣刻蝕0.5h。

步驟(4)中，通入的ch4滿足孕鑲金剛石基體沉積時(shí)周圍氣體中ch4的體積濃度為1-2％。

原位沉積的工藝條件為：沉積氣壓為10-15kpa，微波功率為1000-1500w，且當(dāng)孕鑲金剛石基體溫度達(dá)到700-850℃后，沉積6-8h。

步驟(1)中，所述的孕鑲金剛石基體由硬質(zhì)合金粉末和金剛石顆粒通過熱壓燒結(jié)而成。

本發(fā)明的目的在于提供一種基于孕鑲金剛石原位沉積生長金剛石涂層的工藝方法，其通過實(shí)驗(yàn)前期的預(yù)處理方法去除孕鑲金剛石表面不利于金剛石涂層沉積的因素(co元素)，同時(shí)使得金剛石顆粒裸露出來，沉積過程中達(dá)到同質(zhì)外延生長的效果。為后續(xù)在孕鑲金剛石基體上沉積金剛石涂層提供有利的條件，之后在處理過的孕鑲金剛石基體上沉積一層金剛石涂層。這一方法得到的新型孕鑲金剛石，由于外表面金剛石涂層的存在能有效延緩孕鑲金剛石的磨損，解決了現(xiàn)有技術(shù)中因胎體磨損過快而使金剛石顆粒過早脫落，從而導(dǎo)致鉆頭壽命短且鉆進(jìn)效率低的問題。

同時(shí)為了消除co給金剛石沉積過程中帶來的不利影響，預(yù)處理的方式采用酸洗和氫等離子體刻蝕兩種方法。這是由于酸洗方法只能暫時(shí)的消除表層的co相，而沉積過程中，孕鑲金剛石基片溫度升高后內(nèi)層的co會(huì)隨著濃度梯度再次擴(kuò)散到表層，與金剛石發(fā)生反應(yīng)。而且金剛石與孕鑲金剛石基底之間的熱膨脹系數(shù)存在較大的差異，當(dāng)降至室溫時(shí)，會(huì)存在較高的殘余應(yīng)力，過高的殘余應(yīng)力會(huì)影響薄膜和基底的結(jié)合力甚至出現(xiàn)膜的脫落。因此單純的消除合金表面co的方法是無法提高附著力的。

因此為了解決這樣的問題，加入了氫等離子體刻蝕過程。利用氫氣與硬質(zhì)合金基體中的碳化鎢、金屬鈷發(fā)生反應(yīng)生成易揮發(fā)的化合物或鈷的氫化物，使得硬質(zhì)合金表層形成一定厚度的純鎢層，在隨后的金剛石沉積初期該層被再次碳化，產(chǎn)生化學(xué)鍵合形成新的碳化鎢晶粒。由此在金剛石沉積初期，金剛石和基體之間形成了自然過渡層——wc中間層，既可有效地減少薄膜中的殘余應(yīng)力，又可阻擋金剛石生長過程中基體深層的鈷向表面重?cái)U(kuò)散，同時(shí)使金剛石晶粒嵌入到wc晶界之中，增大了金剛石膜與基體之間的接觸面積，使薄膜和基底之間形成了“釘扎效應(yīng)”有效提高了膜基之間的附著力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明的新型孕鑲金剛石鉆頭其表面沉積有金剛石涂層，相比于pdc鉆頭其耐磨性和使用壽命都得到了很大的提高。

(2)另外一種常用鉆頭孕鑲金剛石鉆頭，鉆頭上的金剛石顆粒會(huì)隨著胎體的不斷磨削而持續(xù)脫落，最終使得胎體對(duì)金剛石的包鑲力度不夠而使金剛石發(fā)生脫落，從而導(dǎo)致鉆頭壽命與鉆進(jìn)效率也大大降低。與此相比，新型孕鑲金剛石鉆頭在孕鑲金剛石基體之上沉積的金剛石涂層，可以有效的減少胎體的磨損，當(dāng)鉆頭使用到一定時(shí)期時(shí)，首先磨損的是外層化學(xué)氣相方法沉積的金剛石涂層，而后內(nèi)部的基體材料才會(huì)暴露出來繼續(xù)使用，使用的壽命得到了大大的加強(qiáng)。同時(shí)通過預(yù)處理去除基體表面的鈷元素同時(shí)得到的自然過渡層提高了外層金剛石涂層與孕鑲金剛石集體之間的結(jié)合力，進(jìn)而使得外層金剛石涂層的耐磨性得到了加強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的新型孕鑲金剛石的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的新型孕鑲金剛石初始工作示意圖；

圖3為本發(fā)明的新型孕鑲金剛石在磨損后的工作狀態(tài)示意圖；

圖中，1-孕鑲金剛石基體，2-金剛石顆粒，3-金剛石涂層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例主要公開了一種通過化學(xué)氣相沉積的方法原位沉積生長金剛石涂層的新型孕鑲金剛石及其制備工藝。如圖1所示，新型孕鑲金剛石包括金剛石涂層3和孕鑲金剛石基體1，其中所述孕鑲金剛石基體1由硬質(zhì)合金粉末和金剛石顆粒2通過熱壓燒結(jié)而成，所述金剛石涂層3為通過化學(xué)氣相沉積的方法在原有的孕鑲金剛石基體1上沉積的一層改良涂層。實(shí)驗(yàn)開始前，需要對(duì)孕鑲金剛石進(jìn)行一定的預(yù)處理工藝：將孕鑲金剛石基體放入15％hno3溶液中，腐蝕10～20min以除去孕鑲金剛石基體表面的co，使表面層的鈷與酸液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物。之后利用微晶或納米大小的金剛石微粉的懸浮液(如乙醇、丙酮等)對(duì)基體表面進(jìn)行處理，不僅能較徹底的清洗基體表面，同時(shí)也可將分散的金剛石微粉播植于基體上提高金剛石薄膜的形核率。最后進(jìn)行氫等離子體刻蝕，在經(jīng)過酸溶液處理和超聲清洗的孕鑲金剛石基體上放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，通入一段時(shí)間的氫氣，達(dá)到兼顧除鈷和脫碳兩方面的效果。之后向上述反應(yīng)體系中再通入ch4氣體，保持孕鑲金剛石基體周圍ch4的體積濃度1.5％左右。同時(shí)選擇12kpa作為沉積氣壓,微波功率采用1200w左右，此時(shí)可測(cè)得體溫度大概為800℃，之后沉積6～8小時(shí)，最后緩慢冷卻至室溫，取出樣品。

新型孕鑲金剛石工作狀態(tài)如圖2～3所示，當(dāng)使用一定時(shí)間后原位沉積的金剛石涂層受到磨損而脫落，作為基體的孕鑲金剛石暴露出來，繼續(xù)工作。磨損的初期可能存在原位沉積的金剛石涂層和內(nèi)部孕鑲金剛石基體鉆頭一起工作的狀態(tài)，如圖2所示。當(dāng)外層的金剛石涂層完全磨損時(shí)，如圖3所示，孕鑲金剛石基體單獨(dú)作為鉆頭工作。因此相比與現(xiàn)有的孕鑲金剛石鉆頭，原位沉積金剛石涂層的孕鑲金剛石鉆頭具有更好的耐磨性和更長的使用壽命。另一方面通過基于孕鑲金剛石原位沉積生長金剛石涂層的工藝方法中的預(yù)處理步驟，去除基體表面的鈷元素同時(shí)得到的自然過渡層提高了外層金剛石涂層與孕鑲金剛石集體之間的結(jié)合力，進(jìn)而使得外層金剛石涂層的耐磨性得到了加強(qiáng)。

實(shí)施例2

一種基于孕鑲金剛石原位沉積生長金剛石涂層的工藝方法，包括以下步驟：

(1)酸洗

取孕鑲金剛石基體置于酸溶液中，孕鑲金剛石基體由硬質(zhì)合金粉末和金剛石顆粒通過熱壓燒結(jié)而成，置于10wt％hno3溶液中酸洗20min，腐蝕除去表面的co；

(2)超聲清洗

取酸洗后的孕鑲金剛石基體，置于微晶或納米大小的金剛石微粉的懸浮液中，超聲處理，處理時(shí)間為0.2h，超聲頻率為45khz；

(3)氫等離子體刻蝕

再將酸洗和超聲清洗后孕鑲金剛石基體放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在氣壓為15kpa，微波功率為1500w的條件下，通入200sccm的氫氣刻蝕0.5h，達(dá)到兼顧除鈷和脫碳兩方面的效果；

(4)原位沉積生長金剛石涂層

刻蝕完成后，繼續(xù)通入氫氣，并通入ch4氣體，保持孕鑲金剛石基體沉積時(shí)周圍氣體中ch4的體積濃度1％左右，同時(shí)選擇15kpa作為沉積氣壓，微波功率采用1500w左右，此時(shí)可測(cè)得體溫度大概為800℃，之后沉積8小時(shí)，最后緩慢冷卻至室溫，取出樣品即得到表面生長有金剛石涂層的孕鑲金剛石。

實(shí)施例3

一種基于孕鑲金剛石原位沉積生長金剛石涂層的工藝方法，包括以下步驟：

(1)酸洗

取孕鑲金剛石基體置于酸溶液中，孕鑲金剛石基體由硬質(zhì)合金粉末和金剛石顆粒通過熱壓燒結(jié)而成，置于20wt％hno3溶液中酸洗10min，腐蝕除去表面的co；

(2)超聲清洗

取酸洗后的孕鑲金剛石基體，置于微晶或納米大小的金剛石微粉的懸浮液中，超聲處理，處理時(shí)間為0.8h，超聲頻率為45khz；

(3)氫等離子體刻蝕

再將酸洗和超聲清洗后孕鑲金剛石基體放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在氣壓為10kpa，微波功率為1000w的條件下，通入200sccm的氫氣刻蝕0.5h，達(dá)到兼顧除鈷和脫碳兩方面的效果；

(4)原位沉積生長金剛石涂層

刻蝕完成后，繼續(xù)通入氫氣，并同時(shí)通入ch4氣體，保持孕鑲金剛石基體周圍氣體中ch4的體積濃度2％左右，同時(shí)選擇10pa作為沉積氣壓,微波功率采用1000w左右,此時(shí)可測(cè)得體溫度大概為800℃，之后沉積6小時(shí)，最后緩慢冷卻至室溫，取出樣品即得到表面生長有金剛石涂層的孕鑲金剛石。

實(shí)施例4

一種基于孕鑲金剛石原位沉積生長金剛石涂層的工藝方法，包括以下步驟：

(1)酸洗

取孕鑲金剛石基體置于酸溶液中，孕鑲金剛石基體由硬質(zhì)合金粉末和金剛石顆粒通過熱壓燒結(jié)而成，置于15wt％hno3溶液中酸洗15min，腐蝕除去表面的co；

(2)超聲清洗

取酸洗后的孕鑲金剛石基體，置于微晶或納米大小的金剛石微粉的懸浮液中，超聲處理，超聲頻率為40khz，處理時(shí)間為0.5h；

(3)氫等離子體刻蝕

再將酸洗和超聲清洗后孕鑲金剛石基體放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在氣壓為12kpa，微波功率為1200w的條件下，通入200sccm的氫氣刻蝕0.5h，達(dá)到兼顧除鈷和脫碳兩方面的效果；

(4)原位沉積生長金剛石涂層

刻蝕完成后，繼續(xù)通入氫氣，并同時(shí)通入ch4氣體，保持孕鑲金剛石基體周圍氣體中ch4的體積濃度1.5％左右，同時(shí)選擇12kpa作為沉積氣壓,微波功率采用1200w左右,此時(shí)可測(cè)得體溫度大概為800℃，之后沉積7小時(shí)，最后緩慢冷卻至室溫，取出樣品即得到表面生長有金剛石涂層的孕鑲金剛石。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。