[發(fā)明專利]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

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710120268.2
• 申請日: 2017-03-02
• 公開（公告）號: CN106929818A
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發(fā)明（設計）人: 簡小剛;黃卓;甘熠華
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C23C16/02
• 分類號: C23C16/02;C23C16/27;C23C16/511
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司31225
• 代理人: 林君如

技術領域

本發(fā)明涉及超硬材料技術領域，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

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們對資源消耗不斷增加，地質找礦鉆探正向深部、超深部發(fā)展，隨著鉆探深度的增加，地質硬度也隨著增加，使得深孔地質鉆探的難度越來越大。普通鉆頭在鉆進堅硬巖石地層時，容易出現(xiàn)鉆進效率低，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地層的磨削完成鉆進。然而在鉆進過程中，孕鑲鉆頭上的金剛石會隨著胎體的不斷磨削而持續(xù)脫落，最終使得胎體對金剛石的包鑲力度不夠而使金剛石發(fā)生脫落，從而導致鉆頭壽命與鉆進效率也大大降低。

目前較為常用的兩種鉆頭之一的PDC鉆頭在適應地層中具有機械鉆速快、進尺高、鉆壓較小特點，在鉆井工程中得到了廣泛應用，但因為PDC鉆頭的金剛石復合片中金剛石層只有2mm左右，金剛石含量較低，因此對于硬研磨性地層來說，PDC鉆頭的PDC復合片容易脆裂并磨損失效，使其壽命小，進尺低。PDC鉆頭在硬研磨性地層鉆進時，往往會因為鉆頭失效而起鉆。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隨著胎體的不斷磨削而持續(xù)脫落，最終使得胎體對金剛石的包鑲力度不夠而使金剛石發(fā)生脫落，從而導致鉆頭壽命與鉆進效率也大大降低。

為了改進孕鑲鉆頭等鉆頭壽命和鉆進效率降低的問題，國內外申請人進行的大量的研究，如申請?zhí)?00610016924.6的專利“仿生孕鑲金剛石鉆頭及其制造方法”，所設計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。該專利設計是旨在優(yōu)化鉆頭胎體的基礎上提高鉆頭的性能。另外公開號為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面，使得鉆頭的耐磨性更強，鉆進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均不是特別理想。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術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方案來實現(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氣相沉積設備中，通入氫氣，進行等離子體刻蝕；

(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，且當孕鑲金剛石基體溫度達到700-850℃后，沉積6-8h。

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