專利名稱：孕鑲金剛石膜的鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)械加工領(lǐng)域，涉及到一種用來勘探、開采能源的地質(zhì)鉆頭，鉆頭 是用孕鑲化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石膜而制作的。
技術(shù)背景 傳統(tǒng)孕鑲金剛石鉆頭多采用合金粉末為胎體材料，以微米量級的金剛石顆粒均勻 或雜亂地分布在胎體中。由于金剛石顆粒大小不同，分布和受力不均勻，特別是沿著深度 分布不均勻，及受胎體的附著性能好壞的影響，金剛石顆粒容易在鉆探過程過脫落，滾動(dòng)， 嚴(yán)重影響了金剛石鉆頭的耐磨損性能、鉆進(jìn)效率和使用壽命。另外，孕鑲金剛石鉆頭的底 唇面都根據(jù)不同基巖地質(zhì)體要求進(jìn)行了形狀設(shè)計(jì)，因?yàn)榈状矫娑际怯珊辖鸱勰?包括金剛 石粉)或和較大粒度的金剛石晶粒組成的，鉆進(jìn)過程中，特別是經(jīng)過堅(jiān)硬、研磨性強(qiáng)的地層 時(shí)，一段時(shí)間后，鉆頭的底唇面易磨損成為平面或圓弧形，底唇面磨損后，發(fā)生功能退化，大 幅降低鉆進(jìn)效率，增加了成本。 與本實(shí)用新型最接近的現(xiàn)有技術(shù)是一項(xiàng)名稱為"仿生孕鑲金剛石鉆頭及其制造方 法"，申請?zhí)?00610016924. 6的專利申請。所設(shè)計(jì)的一種仿生孕鑲金剛石的鉆頭，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，取得較好 效果。除了其他材料之外，僅提到用金剛石聚晶柱做耐磨材料
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是，將CVD金剛石膜用于地質(zhì)鉆頭制造，設(shè)計(jì)一種 在使用過程中不脫粒、性能穩(wěn)定、耐磨損性高和使用壽命長的鉆頭。 為達(dá)到不脫粒、性能穩(wěn)定、耐磨損性高和使用壽命長的鉆頭；在鉆頭中，用CVD金 剛石厚膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金剛石粉末或顆?；蚪饎偸劬?，通過一定的分布形態(tài)，將CVD金剛 石膜或金剛石膜和金剛石顆?；旌锨度氲姐@頭的底唇面或/和側(cè)面，使鉆探鉆頭的耐磨性 更強(qiáng)，保證鉆頭底唇面的粗糙度和有效出刃，并有效地保徑，特別是提高鉆探堅(jiān)硬、研磨性 強(qiáng)的地層時(shí)的能力，提高其鉆進(jìn)效率、工作距離和使用壽命。該實(shí)用新型制造的金剛石膜鉆 頭，成本低，工藝簡單，易于推廣。 CVD金剛石膜的制作是采用現(xiàn)有的成型的技術(shù)完成的。CVD方法可以是微波等離 子體CVD法(MPCVD)、電子輔助熱燈絲CVD法(EA-HFCVD)、直流熱陰極輝光等離子體CVD法 或直流噴射等離子體CVD方法等。CVD方法制備的多晶金剛石膜，其硬度接近天然金剛石， 另外多晶金剛石膜晶粒之間的強(qiáng)相連性，使用過程中不脫粒，始終保持一定的粗糙度和有 效出刃，又耐磨損性高和使用壽命性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，使其稱為制作超硬工具的理想材料。 本實(shí)用新型的孕鑲金剛石膜的鉆頭的結(jié)構(gòu)是 —種孕鑲金剛石膜的鉆頭，由鋼體1和工作層2構(gòu)成，其特征在于，工作層2由胎 體材料3和CVD金剛石膜4組成；金剛石膜4鑲嵌排列在胎體材料3中；所述的金剛石膜4 是片狀或/和條柱狀的，金剛石膜4的長度小于或等于工作層2的厚度，寬度1 5mm。
3與鉆頭的軸線平行鑲嵌在胎體材料3中。如果金剛
石膜4的長邊與鉆頭的軸線垂直，在使用過程中金剛石膜4容易脫落。 在金剛石膜4之間可以鑲嵌有金剛石晶粒5，也就是在胎體材料3中含有金剛石晶粒5。 還可以在工作層2的內(nèi)或/和外側(cè)面鑲嵌有片狀或者條柱狀金剛石膜；起著保徑 的作用?；蛟诠ぷ鲗?內(nèi)或/和外側(cè)面的金剛石膜4 一直延伸到底唇面，同時(shí)起到保徑和 增強(qiáng)底唇面的作用。 鉆頭成型方式包括一次成型和鑲塊式二次成型。 一次成型是指燒結(jié)型熱壓金剛石 鉆頭，鑲塊式二次成型是先燒結(jié)出金剛石孕鑲塊，然后把孕鑲塊鑲焊在銑好的鋼體上形成 鉆頭。其中燒結(jié)是指的把要燒結(jié)的樣品放入加工好的石墨模具中，在中頻感應(yīng)爐中加熱燒 結(jié)。燒結(jié)采用的保壓壓力根據(jù)樣品的面積不同為1 20MPa，燒結(jié)溫度為900 IIO(TC，保 溫保壓時(shí)間為5 10min。鑲焊是指把樣品放入高頻加熱設(shè)備中，在700 90(TC的溫度下 把燒結(jié)好的金剛石孕鑲塊在焊料輔助下與銑好的剛體焊接在一起，最后拋光以處理掉周圍 滲出的焊料和其他多余的部分。 采用一次成型方法制作孕鑲金剛石膜的鉆頭的具體過程如下所述 孕鑲金剛石膜的鉆頭的制作方法，有金剛石膜的切割、鉆頭成型的過程； 所說的金剛石膜的切割，使用CVD方法生長的金剛石膜4是自支撐膜，厚度在
0. 5 3mm之間，用激光切割機(jī)將金剛石膜4切割成片狀或條柱狀； 所說的鉆頭成型，是在石墨模具中放入胎體材料3，在胎體材料3中擺放金剛石膜
4作為工作層2 ;再放入鋼體l ;將裝有要燒結(jié)樣品的石墨模具放在中頻感應(yīng)爐中加熱燒結(jié)；
燒結(jié)采用的保壓壓力為1 20MPa，燒結(jié)溫度為900 IIO(TC，保溫保壓時(shí)間為5 10min， 燒結(jié)成一體形成鉆頭。 采用鑲塊式二次成型方法制作孕鑲金剛石膜的鉆頭的具體過程是 孕鑲金剛石膜的鉆頭的制作方法，有金剛石膜的切割、工作層的燒結(jié)成型和鉆頭
的焊接成型的過程； 所說的金剛石膜的切割，使用CVD方法生長的金剛石膜4是自支撐膜，厚度在 0. 5 3mm之間，用激光切割機(jī)將金剛石膜4切割成片狀或條柱狀； 所說的工作層的燒結(jié)成型，是在胎體材料3中擺放金剛石膜4，放入石墨模具中， 在中頻感應(yīng)爐中加熱燒結(jié)；燒結(jié)采用的保壓壓力為1 20MPa，燒結(jié)溫度為900 IIO(TC， 保溫保壓時(shí)間為5 10min，形成工作層2 ; 所說的鉆頭的焊接成型，是把工作層2和剛體1以及在二者之間放置焊料的樣品 放入高頻加熱設(shè)備中，在700 90(TC的溫度下焊接成型，最后拋光處理。 無論采用一次成型方法還是采用鑲塊式二次成型方法，都可以將金剛石晶粒5先 均勻粘在條柱狀或片狀金剛石膜4上，然后再鑲嵌在胎體材料3中；或者將金剛石晶粒5混 合孕鑲在胎體材料3中，最后燒結(jié)成在金剛石膜4之間鑲嵌有金剛石晶粒5的鉆頭。 片狀或條柱狀金剛石膜4可使用激光器將大面積CVD金剛石膜切割而成，金剛石 膜的厚度可在0. 5 3mm范圍，尺寸因鉆頭設(shè)計(jì)而定。片與片之間或條柱與條柱之間的距 離可根據(jù)設(shè)計(jì)確定。 采用上述方案的金剛石膜地質(zhì)鉆頭及制作工藝，使金剛石膜在胎體中按照設(shè)計(jì)的
4方式，可分為片狀，條柱狀，片狀和條柱狀金剛石膜混合或以上三種分別與金剛石顆?；?合排布。針對不同的地質(zhì)情況，可以采用不同的金剛石膜排列方式，使其發(fā)揮最大作用，增 加了鉆頭的耐磨性，減小了切割粘附性、降低了切削摩擦阻力、提高了切削效率和工具的壽 命。與普通金剛石鉆頭比較，具有壽命長、鉆速快、能耗低、防粘巖粉能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并可以 有保徑作用，極大地節(jié)約能耗、降低成本、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 綜上，本實(shí)用新型是一種可以顯著提高工作效率和延長鉆頭使用壽命的產(chǎn)品。其 特點(diǎn)是 1)用金剛石膜代替或部分代替金剛石顆粒，保證了鉆探過程中金剛石不脫粒或少 脫粒、鉆頭底唇面的粗糙度和有效出刃，使鉆進(jìn)效率、鉆進(jìn)距離大幅提高，性能穩(wěn)定、使用壽 命長。 2)可根據(jù)鉆頭的特點(diǎn)及用途，采用多種片狀或條柱形金剛石膜、以及底唇部、側(cè)面 分布形態(tài)的設(shè)計(jì)。

圖1是本實(shí)用新型的孕鑲金剛石膜的鉆頭總體結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2是本實(shí)用新型的鑲嵌條柱狀金剛石膜鉆頭工作層唇面和剖面示意圖。 圖3是本實(shí)用新型的鑲嵌片狀金剛石膜的鉆頭工作層唇面和剖面示意圖。 圖4是本實(shí)用新型的鑲嵌條柱狀和片狀金剛石膜的鉆頭工作層唇面和剖面示意圖。 圖5是本實(shí)用新型的在金剛石膜之間鑲嵌有金剛石晶粒的鉆頭工作層唇面和剖 面示意圖。 圖6是本實(shí)用新型的鑲嵌片狀金剛石膜有保徑作用的鉆頭工作層唇面和剖面示 意圖
具體實(shí)施方式下列實(shí)施例是對本實(shí)用新型的進(jìn)一步說明，而不是局限本實(shí)用新型的范圍。 實(shí)施例1結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的孕鑲金剛石膜的鉆頭總體結(jié)構(gòu) 在圖1 4中，1為鋼體，2為工作層，3為胎體材料，4為金剛石膜，5為金剛石晶 粒。其中，胎體材料3中孕鑲金剛石膜4構(gòu)成工作層2。 與現(xiàn)有的鉆頭相同，孕鑲金剛石膜的鉆頭也是由鋼體1和工作層2順次同軸線固 定在一起構(gòu)成，但是，本實(shí)用新型的工作層2是由金剛石膜4鑲嵌排列在胎體材料3中構(gòu) 成，見圖1。所述的金剛石膜4可以是片狀的，如圖3;可以是條柱狀的，如圖2 ;可以是片狀 和條柱狀相間排列的，如圖4。 金剛石膜4的長度小于或等于工作層2的厚度，寬度為1 5mm。片狀的金剛石膜
4的寬度一般為3 5mm，條柱狀的金剛石膜4的寬度一般為1 3mm。 片狀的金剛石膜4在底唇部分布是，片狀金剛石膜4的橫邊與鉆頭橫截面的徑向
垂直，即沿著鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向分布的；條柱狀金剛石膜4在底唇部分布形態(tài)，是隨機(jī)或規(guī)
律分布；或條柱狀金剛石膜與片狀金剛石膜相間排布。 實(shí)施例2金剛石膜4之間鑲嵌有金剛石晶粒5的鉆頭的結(jié)構(gòu)[0041] 圖5給出本實(shí)用新型的在金剛石膜之間鑲嵌有金剛石晶粒的鉆頭工作層的唇面 和剖面示意圖。其中5為金剛石晶粒。金剛石晶粒5可以混合孕鑲在胎體材料3中；也可 以將金剛石晶粒5先均勻粘在條柱狀或片狀金剛石膜4上，然后再鑲嵌在胎體材料3中，圖 5所示的就是后一種情況的結(jié)構(gòu)。 實(shí)施例3金剛石膜4起保徑作用的鉆頭的結(jié)構(gòu) 圖6給出本實(shí)用新型的金剛石膜起保徑作用的鉆頭工作層的唇面和剖面示意圖。 其中金剛石膜4的表面暴露在工作層2的內(nèi)或/和外側(cè)面，在使用過程中起保徑的作用。條 柱狀金剛石膜4的側(cè)面也可以暴露在工作層2的內(nèi)或/和外側(cè)面，在使用過程中同樣起保 徑的作用。 實(shí)施例4金剛石膜4的制備和切割 本實(shí)用新型所提到的實(shí)施例所用的多晶金剛石膜4可以是采用微波等離子體CVD 設(shè)備生長的，在單晶Si上高速生長多晶金剛石，生長之后將Si用化學(xué)方法處理掉，獲得自 支撐的高質(zhì)量多晶金剛石膜。 本實(shí)用新型所提到的實(shí)施例所用的多晶金剛石膜4也可以是采用本實(shí)用新型的 科研課題組研發(fā)的熱陰極輝光放電CVD設(shè)備中生長的，能夠生長出高質(zhì)量的多晶金剛石 膜。 本實(shí)用新型所提到的實(shí)施例所用的多晶金剛石膜4還可以是采用本實(shí)用新型的 科研課題組自行改裝的電子輔助熱燈絲CVD設(shè)備生長的，能夠大面積的生長多晶金剛石膜。 本實(shí)用新型所提到的實(shí)施例中對金剛石膜4的切割，所使用的激光器是多功能固 體脈沖激光器。通過編程控制可以切割任意形狀的多晶金剛石片或金剛石條。 實(shí)施例5本實(shí)用新型的孕鑲金剛石膜的鉆頭一次成型的制備(1) 取40粒切割好的片狀金剛石膜4按圖3給出的位置均勻的鑲嵌在胎體材料3中， 成為工作層2材料，將工作層2材料裝入石墨模具中壓實(shí)后放入鋼體1，烘干后在高溫高 壓的條件下燒結(jié)熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫后加工水口和螺紋，即為孕鑲金 剛石條鉆頭。燒結(jié)采用的保壓壓力根據(jù)樣品的面積不同為1 20MPa，燒結(jié)溫度為900 IIO(TC，保溫保壓時(shí)間為5 10min。 實(shí)施例6本實(shí)用新型的孕鑲金剛石膜的鉆頭一次成型的制備(2) 取40粒切割好的條柱狀金剛石膜4按圖2給出的位置均勻的鑲嵌在胎體材料3
中，成為工作層2材料，將工作層2材料裝入石墨模具中壓實(shí)后放入鋼體1 ，烘干后在高溫高
壓的條件下熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫后加工水口和螺紋，即為孕鑲金剛石
條鉆頭。工藝條件同實(shí)施例5。 實(shí)施例7本實(shí)用新型的孕鑲金剛石膜的鉆頭一次成型的制備(3) 取32粒切割好的條柱狀的金剛石膜4和40粒片狀的金剛石4按圖4給出的位置
均勻的鑲嵌在胎體材料3中，成為工作層2材料，將工作層2材料裝入石墨模具中壓實(shí)后放
入鋼體1 ，烘干后在高溫高壓的條件下熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫后加工水口
和螺紋，即為孕鑲金剛石膜鉆頭。工藝條件同實(shí)施例5。 實(shí)施例8本實(shí)用新型的孕鑲金剛石膜的鉆頭一次成型的制備(4) 取32粒切割好的條柱狀的金剛石膜4和40粒片狀的金剛石膜4和一定數(shù)量的金
6剛石晶粒5均勻的鑲嵌在胎體材料3中，成為工作層2材料，金剛石膜4和金剛石晶粒5可 以參考圖5給出的位置排列；將工作層2材料裝入石墨模具中壓實(shí)后放入鋼體l，烘干后在 高溫高壓的條件下熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫后加工水口和螺紋，即為孕鑲 金剛石條鉆頭。工藝條件同實(shí)施例5。 實(shí)施例9本實(shí)用新型的孕鑲金剛石膜的鉆頭鑲塊式二次成型的制備 取32粒切割好的條柱狀的金剛石膜4和40粒片狀的金剛石膜4和一定數(shù)量的 金剛石晶粒5均勻的鑲嵌在胎體材料3中，成為工作層2材料，金剛石膜4和金剛石晶粒5 可以參考圖5給出的位置排列；將工作層2材料裝入石墨模具中壓實(shí)，烘干后在高溫高壓 的條件下燒結(jié)熱壓成型，在保溫材料中緩慢冷卻至室溫后把樣品放入高頻加熱設(shè)備中，在 700 900°C的溫度下把熱壓好的工作層2在銀銅焊料輔助下與銑好的剛體1焊接在一起， 最后拋光以處理掉周圍滲出的焊料和其他多余的部分。最后加工水口和螺紋，即為孕鑲金 剛石條鉆頭。其中燒結(jié)熱壓的工藝條件同實(shí)施例5。
權(quán)利要求一種孕鑲金剛石膜的鉆頭，由鋼體(1)和工作層(2)構(gòu)成，其特征在于，工作層(2)由胎體材料(3)和化學(xué)氣相沉積金剛石膜(4)組成；金剛石膜(4)鑲嵌排列在胎體材料(3)中；所述的金剛石膜(4)是片狀或/和條柱狀的，金剛石膜(4)的長度小于或等于工作層(2)的厚度，寬度1～5毫米。
2. 按照權(quán)利要求l所述的孕鑲金剛石膜的鉆頭，其特征在于，在金剛石膜(4)之間鑲嵌 有金剛石晶粒(5)。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的孕鑲金剛石膜的鉆頭，其特征在于，在工作層(2)的內(nèi)或 /和外側(cè)面鑲嵌有片狀或者條柱狀金剛石膜(4);或在工作層(2)的內(nèi)或/和外側(cè)面的金剛 石膜(4) 一直延伸到底唇面。
4. 按照權(quán)利要求1或2所述的孕鑲金剛石膜的鉆頭，其特征在于，片狀的金剛石膜(4) 在底唇部分布是，片狀金剛石膜(4)的橫邊與鉆頭橫截面的徑向垂直，即沿著鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)方 向的切向分布；條柱狀金剛石膜(4)在底唇部分布形態(tài)，是隨機(jī)或規(guī)律分布；或條柱狀金剛 石膜與片狀金剛石膜相間排布。
專利摘要本實(shí)用新型的孕鑲金剛石膜的鉆頭及其制作方法屬于機(jī)械加工領(lǐng)域。鉆頭是由鋼體(1)和工作層(2)構(gòu)成，工作層(2)包含化學(xué)氣相沉積的金剛石膜(4)和硬質(zhì)胎體材料(3)。金剛石膜(4)按要求形態(tài)分布于工作層(2)中。鉆頭成型方式包括一次成型和鑲塊式二次成型。一次成型是指燒結(jié)型熱壓金剛石鉆頭，鑲塊式二次成型是先燒結(jié)出金剛石孕鑲塊，然后把孕鑲塊鑲焊在銑好的鋼體上形成鉆頭。本實(shí)用新型的鉆頭增強(qiáng)了耐磨性，減小了切割粘附性，保證鉆頭底唇面的粗糙度和有效出刃，并可有效地保徑，提高了切削效率和工具的壽命。與普通金剛石鉆頭比較，具有壽命長、鉆進(jìn)效率高、工作距離長、能耗低、防粘巖粉能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
文檔編號E21B10/46GK201460746SQ20092009402
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者劉軍偉, 呂憲義, 李紅東, 王啟亮 申請人:吉林大學(xué)