專利名稱：覆蓋cvd金剛石層的鉆探用金剛石復(fù)合片及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種覆蓋CVD金剛石層的鉆探用金剛石復(fù)合片及制作方法，屬 于機(jī)械和工具領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金剛石復(fù)合片(英文Polycrystalline Diamond Composite,通常簡寫為PDC)， 其結(jié)構(gòu)為主體是圓柱型硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金的一個(gè)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)。制造過程是采用特 殊的結(jié)構(gòu)和方式將硬質(zhì)合金和金剛石粉組裝在一起，利用高溫高壓使硬質(zhì)合金 中的鈷變?yōu)橐簯B(tài)向金剛石粉滲透，并使金剛石粉彼此鍵合形成與硬質(zhì)合金緊密 結(jié)合的聚晶金剛石層。
鈷是石墨和金剛石互相轉(zhuǎn)變的催化劑。在高壓高溫下它可使石墨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為石墨。 由于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(dāng)溫度高于70(TC或溫度雖低于但長時(shí)間接近70(TC時(shí)， 一方面鈷對(duì)金剛石的侵 蝕作用使得金剛石顆粒晶界處石墨化，結(jié)合強(qiáng)度變差，另一方面殘留的鈷比金 剛石的熱膨脹系數(shù)高得多，其高溫膨脹驅(qū)使金剛石顆粒間結(jié)合鍵斷裂從而使 PCD層變得松散甚至出現(xiàn)裂紋。溫度越高，這種影響就越大。
石油開采中所用的鉆頭很多是采用這種PDC片作為鉆齒。金剛石是目前人 類可獲得的最硬物質(zhì)，這個(gè)特性使得金剛石復(fù)合片鉆頭可以獲得很長的使用壽 命。極好的鉆頭可以一次性完成一口油井，而不需要多次更換鉆頭。隨著人們對(duì)提高打井效率和降低鉆井成本要求的不斷提高，老的PDC鉆頭 齒越來越不能滿足高速打井的需要。因?yàn)榇蚓俣忍岣吡耍瑒t鉆頭的PCD部分 與巖石泥沙切削磨削的速度就要提高，于是PCD表面的溫度就會(huì)提高，表面硬 度和強(qiáng)度下降，從而嚴(yán)重降低鉆頭的使用壽命。
人們采用了很多辦法來提高PDC齒的耐高溫性能。多數(shù)企業(yè)采用的辦法是 提高PCD層中金剛石顆粒的鍵合強(qiáng)度、降低PCD層中的殘余鈷含量。
英國公司ReedHycalog UK, Ltd.獲得了一個(gè)酸處理去鈷的專利United States Patent No. 6，861，098。專利的內(nèi)容是采用酸腐蝕或其它化學(xué)方法使PCD層表面及 一定深度的鈷被去處，其原來的位置變成一個(gè)個(gè)的小空洞。這種辦法雖然使得 PCD層表面的強(qiáng)度下降20-30%，但由于表層一定深度不再含鈷，其耐溫性得到 很大提高，鉆頭的使用壽命也得以大幅提高。
該專利的做法雖在很大程度上改善了 PDC鉆頭齒的性能，但由于PCD表層 存在很多微孔，其抗沖擊性下降了 20%以上。另外，微孔的存在也使得PDC鉆 頭齒不能達(dá)到最佳的耐磨性和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足，本發(fā)明提供一種覆蓋CVD金剛石涂層的鉆 探用金剛石復(fù)合片及制作方法。
本專利解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是采用化學(xué)氣相沉積的辦法在
PDC片的PCD表面沉積覆蓋一層O. 01-2mm厚的CVD金剛石膜。這樣就產(chǎn)生出一種覆 蓋CVD金剛石涂層的鉆探用金剛石復(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過酸處理后帶有微孔的聚晶金剛石(PCD)。因此
其使用壽命也會(huì)比去鈷處理的PDC鉆齒更長。由于通常金剛石膜生長需要至少65(TC以上的高溫，而PCD層中的鈷在這種溫度下會(huì)侵蝕PCD層，也會(huì)侵蝕PCD與CVD金剛石的界面從而降低兩者之間的結(jié)合強(qiáng)度，我們可以采用通常的酸處理手段對(duì)PCD進(jìn)行去鈷化，然后再在PCD表面沉積覆蓋一層O. 01-2mm厚的CVD金剛石膜。
如果采用基體溫度50(TC以下的氣相沉積生長技術(shù)，則可以簡化去鈷處理甚至直接在PCD表面沉積覆蓋一層0.01-2ran厚的CVD金剛石膜。
本發(fā)明的有益效果實(shí)施本發(fā)明，可使現(xiàn)有鉆探用金剛石復(fù)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，從而使鉆頭的使用壽命得以大幅提高。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)一步說明。圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:如圖1所示， 一種覆蓋CVD金剛石涂層的鉆探用金剛石復(fù)合片，采用化學(xué)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金剛石層的鉆探用金剛石復(fù)合片制作方法，有在沉積CVD金剛石膜之前先對(duì)PCD層進(jìn)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(shí)(或更長時(shí)間)；
或用2. 5%0)-仏等離子體(其它活性等離子體)選擇性刻蝕Co;或用Ar離子濺射刻蝕PCD表面，降低Co含量；
采用化學(xué)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(tái)上，PCD表面溫度控制在650。C左右，采用微波等離子體、直流輝光放電等離子體、等離子體噴射、熱絲法等等化學(xué)氣相沉積方法，將含碳?xì)庠?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(shí)施例2: —種覆蓋CVD金剛石層的鉆探用金剛石復(fù)合片制作方法，在沉積
CVD金剛石膜之前沒有對(duì)PCD層進(jìn)行去鈷處理的步驟；步驟如下-
將PCD片放入真空腔室的基片臺(tái)上，PCD表面溫度控制在50(TC以下，采用微波等離子體、直流輝光放電等離子體、等離子體噴射、熱絲法等等化學(xué)氣相沉積方法，將含碳?xì)庠?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(shí)施例3: —種覆蓋CVD金剛石層的鉆探用金剛石復(fù)合片制作方法，在大氣環(huán)境中進(jìn)行沉積；
將PCD片放入大氣氣氛的基片臺(tái)上，采用弧光放電、多激光束等化學(xué)氣相沉積方法，將含碳?xì)庠?或液體源)分解，在PCD表面沉積覆蓋一層O. 0卜2mm厚的CVD金剛石膜。
權(quán)利要求
1. 一種覆蓋CVD金剛石涂層的鉆探用金剛石復(fù)合片，其特征是PDC片的PCD表面沉積有一層0.01-2mm厚的CVD金剛石膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鉆探用金剛石復(fù)合片，其特征是PCD表面的金剛 石層經(jīng)過脫鈷處理或未經(jīng)過脫鈷處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2所述的鉆探用金剛石復(fù)合片的制備方法，其特征是 經(jīng)過脫鈷處理的PCD，在65(TC以下溫度，通過各種化學(xué)氣相沉積的方法沉積一 層0.01-2mm厚金剛石膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2所述的鉆探用金剛石復(fù)合片的制備方法，其特征是 未經(jīng)脫鈷處理的PCD，在50(TC以下溫度，通過各種化學(xué)氣相沉積的方法沉積一 層O. 01-2mm厚金剛石膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆探用金剛石復(fù)合片的制備方法，其特征是在 大氣氣氛下，采用弧光放電、多激光束輔助分解等化學(xué)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。
全文摘要
一種覆蓋CVD金剛石涂層的鉆探用金剛石復(fù)合片及其制備方法。該新材料是采用在常規(guī)金剛石復(fù)合片的表面用化學(xué)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復(fù)合片。其制備如圖1所示，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。本發(fā)明采用微波等離子體、直流輝光放電等離子體、等離子體噴射、熱絲法、弧光放電、多激光束輔助分解等等化學(xué)氣相沉積方法，將含碳?xì)怏w或液體分解，在經(jīng)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(guī)金剛石復(fù)合片的耐溫性與耐磨性，從而使用該材料制成的鉆頭的使用壽命得以大幅提高。可廣泛應(yīng)用于鉆探行業(yè)和建筑、機(jī)械加工行業(yè)。
文檔編號(hào)E21B10/46GK101476445SQ20081024074
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2008年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者陳繼鋒 申請(qǐng)人:陳繼鋒