專利名稱：孕鑲金剛石膜的鉆頭及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械加工領(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。
背景技術(shù)：
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，嚴(yán)重影響了金剛石鉆頭的耐磨損性能、鉆進效率和使用 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)體要求進行了形狀設(shè) 計，因為底唇面都是由合金粉末(包括金剛石粉)或和較大粒度的金剛石晶粒組 成的，鉆進過程中，特別是經(jīng)過堅硬、研磨性強的地層時， 一段時間后，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 效率，增加了成本。
與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)是一項名稱為"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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(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Вㄟ^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，保證鉆頭底唇面的粗糙度和有效出刃，并有 效地保徑，特別是提高鉆探堅硬、研磨性強的地層時的能力，提高其鉆進效率、 工作距離和使用壽命。該發(fā)明制造的金剛石膜鉆頭，成本低，工藝簡單，易于推
4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，使其稱為制作超硬工具的理想材料。 本發(fā)明的孕鑲金剛石膜的鉆頭的結(jié)構(gòu)是
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。
也就是說，金剛石膜4的長邊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 時起到保徑和增強底唇面的作用。
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1~20 MPa，燒結(jié)溫度為900~1100 。C，保溫保壓時間為5~10min。鑲焊是指把樣品 放入高頻加熱設(shè)備中，在700~900 'C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 一種孕鑲金剛石膜的鉆頭的制作方法，有金剛石膜的切害ij、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0.5~3 mm之間，用激光切割機將金剛石膜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1;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900~1100 °C，保溫保壓時間為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
一種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0.5~3 mm之間，用激光切割機將金剛石膜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)采用的保壓壓力為卜20MPa，燒結(jié)溫度 為900~1100°C，保溫保壓時間為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 90CTC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。
本發(fā)明的孕鑲金剛石膜的鉆頭的制作方法，還可以應(yīng)用于金剛石鋸片和金剛 石磨頭的制造。過程與制備鉆頭是一樣的。
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 3 mm范圍，尺寸因鉆頭設(shè)計而定。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) 計的方式，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?；旌吓挪?。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、防粘巖粉能力強等特點，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，本發(fā)明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 ?；蛏倜摿?、鉆頭底唇面的粗糙度和有效出刃，使鉆進效率、鉆進距離大幅提高， 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。


圖1是本發(fā)明的孕鑲金剛石膜的鉆頭總體結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2是本發(fā)明的鑲嵌條柱狀金剛石膜鉆頭工作層的唇面和剖面示意圖。 圖3是本發(fā)明的鑲嵌片狀金剛石膜的鉆頭工作層的唇面和剖面示意圖。 圖4是本發(fā)明的鑲嵌條柱狀和片狀金剛石膜的鉆頭工作層的唇面和剖面示 意圖。
圖5是本發(fā)明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。
圖6是本發(fā)明的鑲嵌片狀金剛石膜有保徑作用的鉆頭工作層的唇面和剖面 示意圖
具體實施例方式
下列實施例是對本發(fā)明的進一步說明，而不是局限本發(fā)明的范圍。 實施例1結(jié)合

本發(fā)明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，本發(fā)明的工作層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3~5 mm，條柱狀的金剛石膜4的寬度一般為1~3 mm。
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)
圖5給出本發(fā)明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給出本發(fā)明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。
實施例4金剛石膜4的制備和切割
本發(fā)明所提到的實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。
本發(fā)明所提到的實施例所用的多晶金剛石膜4也可以是采用本發(fā)明的科研 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。
本發(fā)明所提到的實施例所用的多晶金剛石膜4還可以是釆用本發(fā)明的科研 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。
本發(fā)明所提到的實施例中對金剛石膜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。 實施例5本發(fā)明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
83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900~1100 。C，保溫保壓時間為5~10min。 所有的鉆頭、鋸片、磨頭也可按此方法任意設(shè)計制作。 實施例6本發(fā)明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。工藝條件同實施例5。 所有的鉆頭、鋸片、磨頭規(guī)格也可按此方法任意設(shè)計制作。 實施例7本發(fā)明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 施例5。
所有的鉆頭、鋸片、磨頭規(guī)格也可按此方法任意設(shè)計制作。 實施例8本發(fā)明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。工藝條件同實施例5。 所有的鉆頭、鋸片、磨頭規(guī)格可按此方法任意設(shè)計。 實施例9本發(fā)明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，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施例5。
權(quán)利要求
1、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1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。
5、 一種權(quán)利要求1的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，使用化學(xué)氣相沉積方法生長的金剛石 膜(4)是自支撐膜，厚度在0.5 3mm之間，用激光切割機將金剛石膜(4)切 割成片狀或條柱狀；其特征在于，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(1);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900~1100'C,保溫保壓時間為5~10min，燒結(jié)成一體形成鉆頭。
6、 按照權(quán)利要求5所述的孕鑲金剛石膜的鉆頭的制作方法，其特征在于， 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?qū)⒔饎偸Я?5)隨機排布在金剛石膜(4)之間，共同 鑲嵌在胎體材料(3)中。
7、 一種權(quán)利要求書5所述的孕鑲金剛石膜的鉆頭的制作方法，其特征在于， 也可應(yīng)用于金剛石鋸片和金剛石磨頭的制造。
8、 一種權(quán)利要求1的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，使用化學(xué) 氣相沉積方法生長的金剛石膜(4)是自支撐膜，厚度在0.5~3 mm之間，用激 光切割機將金剛石膜(4)切割成片狀或條柱狀；其特征在于，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900~1100°C，保溫保壓時間為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 置銀銅焊料的樣品放入高頻加熱設(shè)備中，在700~900 'C的溫度下焊接成型，最 后拋光處理。
9、 按照權(quán)利要求8所述的孕鑲金剛石膜的鉆頭的制作方法，其特征在于， 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?qū)⒔饎偸Я?5)隨機排布在金剛石膜(4)之間，共同 鑲嵌在胎體材料(3)中。
10、 一種權(quán)利要求書8所述的孕鑲金剛石膜的鉆頭的制作方法，其特征在 于，也可應(yīng)用于金剛石鋸片和金剛石磨頭的制造。
全文摘要
本發(fā)明的孕鑲金剛石膜的鉆頭及其制作方法屬于機械加工領(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。本發(fā)明的鉆頭增強了耐磨性，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、鉆進效率高、工作距離長、能耗低、防粘巖粉能力強等特點。
文檔編號C23C16/26GK101608533SQ20091006729
公開日2009年12月23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)