CN101476445A - 覆盖cvd金刚石层的钻探用金刚石复合片及制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种覆盖CVD金刚石涂层的钻探用金刚石复合片及其制备方法。该新材料是采用在常规金刚石复合片的表面用化学气相沉积的办法沉积一层金刚石薄膜，而得到的新型金刚石复合片。其制备如图1所示，在PDC片1的PCD表面2沉积覆盖一层0.01－2mm厚的CVD金刚石膜3。本发明采用微波等离子体、直流辉光放电等离子体、等离子体喷射、热丝法、弧光放电、多激光束辅助分解等等化学气相沉积方法，将含碳气体或液体分解，在经过处理的PCD表面沉积一层0.01－2mm厚的CVD金刚石膜。所得到的新型材料大大提高了常规金刚石复合片的耐温性与耐磨性，从而使用该材料制成的钻头的使用寿命得以大幅提高。可广泛应用于钻探行业和建筑、机械加工行业。

Description

覆盖CVD金刚石层的钻探用金刚石复合片及制作方法
技术领域
本发明涉及一种覆盖CVD金刚石层的钻探用金刚石复合片及制作方法，属于机械和工具领域。
背景技术
金刚石复合片(英文Polycrystalline Diamond Composite，通常简写为PDC)，其结构为主体是圆柱型硬质合金，硬质合金的一个端面紧连着一层平面或球面的聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond，通常简称为PCD)。制造过程是采用特殊的结构和方式将硬质合金和金刚石粉组装在一起，利用高温高压使硬质合金中的钴变为液态向金刚石粉渗透，并使金刚石粉彼此键合形成与硬质合金紧密结合的聚晶金刚石层。
钴是石墨和金刚石互相转变的催化剂。在高压高温下它可使石墨转化为金刚石，但在常压或压力不够高而温度较高的情况下，又促使金刚石转化为石墨。由于聚晶金刚石层中含有少量的钴，故其耐温性较差，只能耐受700℃的温度。当温度高于700℃或温度虽低于但长时间接近700℃时，一方面钴对金刚石的侵蚀作用使得金刚石颗粒晶界处石墨化，结合强度变差，另一方面残留的钴比金刚石的热膨胀系数高得多，其高温膨胀驱使金刚石颗粒间结合键断裂从而使PCD层变得松散甚至出现裂纹。温度越高，这种影响就越大。
石油开采中所用的钻头很多是采用这种PDC片作为钻齿。金刚石是目前人类可获得的最硬物质，这个特性使得金刚石复合片钻头可以获得很长的使用寿命。极好的钻头可以一次性完成一口油井，而不需要多次更换钻头。
随着人们对提高打井效率和降低钻井成本要求的不断提高，老的PDC钻头齿越来越不能满足高速打井的需要。因为打井速度提高了，则钻头的PCD部分与岩石泥沙切削磨削的速度就要提高，于是PCD表面的温度就会提高，表面硬度和强度下降，从而严重降低钻头的使用寿命。
人们采用了很多办法来提高PDC齿的耐高温性能。多数企业采用的办法是提高PCD层中金刚石颗粒的键合强度、降低PCD层中的残余钴含量。
英国公司ReedHycalog UK，Ltd.获得了一个酸处理去钴的专利United StatesPatent No.6,861,098。专利的内容是采用酸腐蚀或其它化学方法使PCD层表面及一定深度的钴被去处，其原来的位置变成一个个的小空洞。这种办法虽然使得PCD层表面的强度下降20-30％，但由于表层一定深度不再含钴，其耐温性得到很大提高，钻头的使用寿命也得以大幅提高。
该专利的做法虽在很大程度上改善了PDC钻头齿的性能，但由于PCD表层存在很多微孔，其抗冲击性下降了20％以上。另外，微孔的存在也使得PDC钻头齿不能达到最佳的耐磨性和使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术结构的不足，本发明提供一种覆盖CVD金刚石涂层的钻探用金刚石复合片及制作方法。
本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：采用化学气相沉积的办法在PDC片的PCD表面沉积覆盖一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜。这样就产生出一种覆盖CVD金刚石涂层的钻探用金刚石复合片。
CVD金刚石膜是一种多晶纯金刚石材料，相邻颗粒之间紧密无隙键合，无论是耐温性还是耐磨性都远远超过酸处理后带有微孔的聚晶金刚石(PCD)。因此其使用寿命也会比去钴处理的PDC钻齿更长。
由于通常金刚石膜生长需要至少650℃以上的高温，而PCD层中的钴在这种温度下会侵蚀PCD层，也会侵蚀PCD与CVD金刚石的界面从而降低两者之间的结合强度，我们可以采用通常的酸处理手段对PCD进行去钴化，然后再在PCD表面沉积覆盖一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜。
如果采用基体温度500℃以下的气相沉积生长技术，则可以简化去钴处理甚至直接在PCD表面沉积覆盖一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜。
本发明的有益效果：
实施本发明，可使现有钻探用金刚石复合片的表面覆盖一层CVD金刚石膜，大大提高其耐温性与耐磨性，从而使钻头的使用寿命得以大幅提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，一种覆盖CVD金刚石涂层的钻探用金刚石复合片，采用化学气相沉积的办法在PDC片1的PCD表面2沉积覆盖一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜3。
一种覆盖CVD金刚石层的钻探用金刚石复合片制作方法，有在沉积CVD金刚石膜之前先对PCD层进行去钴处理的步骤；
步骤如下：
将PCD的金刚石层浸没在1:3硝酸水溶液(或其它脱钴液)中半小时(或更长时间)；
或用2.5％CO-H2等离子体(其它活性等离子体)选择性刻蚀Co；
或用Ar离子溅射刻蚀PCD表面，降低Co含量；
采用化学气相沉积的办法在PDC片的PCD表面沉积覆盖一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜；
步骤如下：
将表面处理过的PCD片放入真空腔室的基片台上，PCD表面温度控制在650℃左右，采用微波等离子体、直流辉光放电等离子体、等离子体喷射、热丝法等等化学气相沉积方法，将含碳气源(或液体源)分解，在PCD表面沉积覆盖一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜。
实施例2：一种覆盖CVD金刚石层的钻探用金刚石复合片制作方法，在沉积CVD金刚石膜之前没有对PCD层进行去钴处理的步骤；
步骤如下：
将PCD片放入真空腔室的基片台上，PCD表面温度控制在500℃以下，采用微波等离子体、直流辉光放电等离子体、等离子体喷射、热丝法等等化学气相沉积方法，将含碳气源(或液体源)分解，在PCD表面沉积覆盖一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜。
实施例3：一种覆盖CVD金刚石层的钻探用金刚石复合片制作方法，在大气环境中进行沉积；
将PCD片放入大气气氛的基片台上，采用弧光放电、多激光束等化学气相沉积方法，将含碳气源(或液体源)分解，在PCD表面沉积覆盖一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜。

Claims (5)

1.一种覆盖CVD金刚石涂层的钻探用金刚石复合片，其特征是：PDC片的PCD表面沉积有一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜。
2.根据权利要求1所述的钻探用金刚石复合片，其特征是：PCD表面的金刚石层经过脱钴处理或未经过脱钴处理。
3.根据权利要求1、2所述的钻探用金刚石复合片的制备方法，其特征是：经过脱钴处理的PCD，在650℃以下温度，通过各种化学气相沉积的方法沉积一层0.01-2mm厚金刚石膜。
4.根据权利要求1、2所述的钻探用金刚石复合片的制备方法，其特征是：未经脱钴处理的PCD，在500℃以下温度，通过各种化学气相沉积的方法沉积一层0.01-2mm厚金刚石膜。
5.根据权利要求4所述的钻探用金刚石复合片的制备方法，其特征是：在大气气氛下，采用弧光放电、多激光束辅助分解等化学气相沉积方法，将含碳气源或液体源分解，在PCD表面沉积覆盖一层0.01-2mm厚的CVD金刚石膜。
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