孕镶金刚石膜的钻头及其制作方法

摘要

本发明的孕镶金刚石膜的钻头及其制作方法属于机械加工领域。钻头是由钢体(1)和工作层(2)构成，工作层(2)包含化学气相沉积的金刚石膜(4)和硬质胎体材料(3)。金刚石膜(4)按要求形态分布于工作层(2)中。钻头成型方式包括一次成型和镶块式二次成型。一次成型是指烧结型热压金刚石钻头，镶块式二次成型是先烧结出金刚石孕镶块，然后把孕镶块镶焊在铣好的钢体上形成钻头。本发明的钻头增强了耐磨性，减小了切割粘附性，保证钻头底唇面的粗糙度和有效出刃，并可有效地保径，提高了切削效率和工具的寿命。与普通金刚石钻头比较，具有寿命长、钻进效率高、工作距离长、能耗低、防粘岩粉能力强等特点。

权利要求

1.一种孕镶金刚石膜的钻头，由钢体(1)和工作层(2)构成，工作层(2)由胎体材料(3)和化学气相沉积金刚石膜(4)组成；金刚石膜(4)镶嵌排列在胎体材料(3)中；金刚石膜(4)的长度小于或等于工作层(2)的厚度，宽度1～5毫米；其特征在于，所述的金刚石膜(4)是片状的；在工作层(2)的内或/和外侧面镶嵌有片状金刚石膜(4)或在工作层(2)的内或/和外侧面的金刚石膜(4)一直延伸到底唇面；片状金刚石膜(4)的横边与钻头横截面的径向垂直，即沿着钻头转动方向的切向分布。

2.按照权利要求1所述的孕镶金刚石膜的钻头，其特征在于，在金刚石膜(4)之间镶嵌有金刚石晶粒(5)；或条柱状金刚石膜与片状金刚石膜相间排布。

3.一种权利要求1的孕镶金刚石膜的钻头的制作方法，有金刚石膜的切割、钻头成型的过程；所说的金刚石膜的切割，使用化学气相沉积方法生长的金刚石膜(4)是自支撑膜，厚度在0.5～3mm之间，用激光切割机将金刚石膜(4)切割成片状；其特征在于，所说的钻头成型，是在石墨模具中放入胎体材料(3)，在胎体材料(3)中摆放金刚石膜(4)作为工作层(2)；再放入钢体(1)；将装有要烧结样品的石墨模具放在中频感应炉中加热烧结；烧结采用的保压压力为1～20MPa，烧结温度为900～1100℃，保温保压时间为5～

10min，烧结成一体形成钻头。

4.按照权利要求3所述的孕镶金刚石膜的钻头的制作方法，其特征在于，将金刚石晶粒(5)先均匀粘在片状金刚石膜(4)上，然后再镶嵌在胎体材料(3)中；或将金刚石晶粒(5)随机排布在金刚石膜(4)之间，共同镶嵌在胎体材料(3)中。

5.一种权利要求1的孕镶金刚石膜的钻头的制作方法，有金刚石膜的切割、工作层的烧结成型和钻头的焊接成型的过程；所说的金刚石膜的切割，使用化学气相沉积方法生长的金刚石膜(4)是自支撑膜，厚度在0.5～3mm之间，用激光切割机将金刚石膜(4)切割成片状；其特征在于，所说的工作层的烧结成型，是在胎体材料(3)中摆放金刚石膜(4)，放入石墨模具中，在中频感应炉中加热烧结；烧结采用的保压压力为1～20MPa，烧结温度为900～1100℃，保温保压时间为5～10min，形成工作层(2)；

所说的钻头的焊接成型，是把工作层(2)和刚体(1)以及在二者之间放置银铜焊料的样品放入高频加热设备中，在700～900℃的温度下焊接成型，最后抛光处理。

6.按照权利要求5所述的孕镶金刚石膜的钻头的制作方法，其特征在于，将金刚石晶粒(5)先均匀粘在片状金刚石膜(4)上，然后再镶嵌在胎体材料(3)中；或将金刚石晶粒(5)随机排布在金刚石膜(4)之间，共同镶嵌在胎体材料(3)中。

说明书

孕镶金刚石膜的钻头及其制作方法

技术领域：

[0001] 本发明属于机械加工领域，涉及到一种用来勘探、开采能源的地质钻头，钻头是用孕镶化学气相沉积(CVD)金刚石膜而制作的。背景技术：

[0002] 传统孕镶金刚石钻头多采用合金粉末为胎体材料，以微米量级的金刚石颗粒均匀或杂乱地分布在胎体中。由于金刚石颗粒大小不同，分布和受力不均匀，特别是沿着深度分布不均匀，及受胎体的附着性能好坏的影响，金刚石颗粒容易在钻探过程过脱落，滚动，严重影响了金刚石钻头的耐磨损性能、钻进效率和使用寿命。另外，孕镶金刚石钻头的底唇面都根据不同基岩地质体要求进行了形状设计，因为底唇面都是由合金粉末(包括金刚石粉)或和较大粒度的金刚石晶粒组成的，钻进过程中，特别是经过坚硬、研磨性强的地层时，一段时间后，钻头的底唇面易磨损成为平面或圆弧形，底唇面磨损后，发生功能退化，大幅降低钻进效率，增加了成本。

[0003] 与本发明最接近的现有技术是一项名称为“仿生孕镶金刚石钻头及其制造方法”，申请号200610016924.6的专利申请。所设计的一种仿生孕镶金刚石的钻头，是在胎体和耐磨材料中引入金刚石聚晶等材料作为非光滑型态材料，提高了钻头的功效，取得较好效果。除了其他材料之外，仅提到用金刚石聚晶柱做耐磨材料。
发明内容：

[0004] 本发明要解决的技术问题是，将CVD金刚石膜用于地质钻头制造，设计一种在使用过程中不脱粒、性能稳定、耐磨损性高和使用寿命长的钻头。

[0005] 为达到不脱粒、性能稳定、耐磨损性高和使用寿命长的钻头；在钻头中，用CVD金刚石厚膜代替传统的金刚石粉末或颗粒或金刚石聚晶，通过一定的分布形态，将CVD金刚石膜或金刚石膜和金刚石颗粒混合嵌入到钻头的底唇面或/和侧面，使钻探钻头的耐磨性更强，保证钻头底唇面的粗糙度和有效出刃，并有效地保径，特别是提高钻探坚硬、研磨性强的地层时的能力，提高其钻进效率、工作距离和使用寿命。该发明制造的金刚石膜钻头，成本低，工艺简单，易于推广。

[0006] CVD金刚石膜的制作是采用现有的成型的技术完成的。CVD方法可以是微波等离子体CVD法(MPCVD)、电子辅助热灯丝CVD法(EA-HFCVD)、直流热阴极辉光等离子体CVD法或直流喷射等离子体CVD方法等。CVD方法制备的多晶金刚石膜，其硬度接近天然金刚石，另外多晶金刚石膜晶粒之间的强相连性，使用过程中不脱粒，始终保持一定的粗糙度和有效出刃，又耐磨损性高和使用寿命性能稳定的特点，使其称为制作超硬工具的理想材料。

[0007] 本发明的孕镶金刚石膜的钻头的结构是：

[0008] 一种孕镶金刚石膜的钻头，由钢体1和工作层2构成，其特征在于，工作层2由胎体材料3和CVD金刚石膜4组成；金刚石膜4镶嵌排列在胎体材料3中；所述的金刚石膜4是片状或/和条柱状的，金刚石膜4的长度小于或等于工作层2的厚度，宽度1～5mm。

[0009] 也就是说，金刚石膜4的长边与钻头的轴线平行镶嵌在胎体材料3中。如果金刚石膜4的长边与钻头的轴线垂直，在使用过程中金刚石膜4容易脱落。

[0010] 在金刚石膜4之间可以镶嵌有金刚石晶粒5，也就是在胎体材料3中含有金刚石晶粒5。

[0011] 还可以在工作层2的内或/和外侧面镶嵌有片状或者条柱状金刚石膜；起着保径的作用。或在工作层2内或/和外侧面的金刚石膜4一直延伸到底唇面，同时起到保径和增强底唇面的作用。

[0012] 钻头成型方式包括一次成型和镶块式二次成型。一次成型是指烧结型热压金刚石钻头，镶块式二次成型是先烧结出金刚石孕镶块，然后把孕镶块镶焊在铣好的钢体上形成钻头。其中烧结是指的把要烧结的样品放入加工好的石墨模具中，在中频感应炉中加热烧结。烧结采用的保压压力根据样品的面积不同为1～20MPa，烧结温度为900～1100℃，保温保压时间为5～10min。镶焊是指把样品放入高频加热设备中，在700～900℃的温度下把烧结好的金刚石孕镶块在焊料辅助下与铣好的刚体焊接在一起，最后抛光以处理掉周围渗出的焊料和其他多余的部分。

[0013] 采用一次成型方法制作孕镶金刚石膜的钻头的具体过程如下所述：

[0014] 一种孕镶金刚石膜的钻头的制作方法，有金刚石膜的切割、钻头成型的过程；

[0015] 所说的金刚石膜的切割，使用CVD方法生长的金刚石膜4是自支撑膜，厚度在0.5～3mm之间，用激光切割机将金刚石膜4切割成片状或条柱状；

[0016] 所说的钻头成型，是在石墨模具中放入胎体材料3，在胎体材料3中摆放金刚石膜4作为工作层2；再放入钢体1；将装有要烧结样品的石墨模具放在中频感应炉中加热烧结；
烧结采用的保压压力为1～20MPa，烧结温度为900～1100℃，保温保压时间为5～10min，烧结成一体形成钻头。

[0017] 采用镶块式二次成型方法制作孕镶金刚石膜的钻头的具体过程是：

[0018] 一种孕镶金刚石膜的钻头的制作方法，有金刚石膜的切割、工作层的烧结成型和钻头的焊接成型的过程；

[0019] 所说的金刚石膜的切割，使用CVD方法生长的金刚石膜4是自支撑膜，厚度在0.5～3mm之间，用激光切割机将金刚石膜4切割成片状或条柱状；

[0020] 所说的工作层的烧结成型，是在胎体材料3中摆放金刚石膜4，放入石墨模具中，在中频感应炉中加热烧结；烧结采用的保压压力为1～20MPa，烧结温度为900～1100℃，保温保压时间为5～10min，形成工作层2；

[0021] 所说的钻头的焊接成型，是把工作层2和刚体1以及在二者之间放置焊料的样品放入高频加热设备中，在700～900℃的温度下焊接成型，最后抛光处理。

[0022] 无论采用一次成型方法还是采用镶块式二次成型方法，都可以将金刚石晶粒5先均匀粘在条柱状或片状金刚石膜4上，然后再镶嵌在胎体材料3中；或者将金刚石晶粒5混合孕镶在胎体材料3中，最后烧结成在金刚石膜4之间镶嵌有金刚石晶粒5的钻头。

[0023] 本发明的孕镶金刚石膜的钻头的制作方法，还可以应用于金刚石锯片和金刚石磨头的制造。过程与制备钻头是一样的。

[0024] 片状或条柱状金刚石膜4可使用激光器将大面积CVD金刚石膜切割而成，金刚石膜的厚度可在0.5～3mm范围，尺寸因钻头设计而定。片与片之间或条柱与条柱之间的距离可根据设计确定。

[0025] 采用上述方案的金刚石膜地质钻头及制作工艺，使金刚石膜在胎体中按照设计的方式，可分为：片状，条柱状，片状和条柱状金刚石膜混合或以上三种分别与金刚石颗粒混合排布。针对不同的地质情况，可以采用不同的金刚石膜排列方式，使其发挥最大作用，增加了钻头的耐磨性，减小了切割粘附性、降低了切削摩擦阻力、提高了切削效率和工具的寿命。与普通金刚石钻头比较，具有寿命长、钻速快、能耗低、防粘岩粉能力强等特点，并可以有保径作用，极大地节约能耗、降低成本、提高了产品质量。

[0026] 综上，本发明是一种可以显著提高工作效率和延长钻头使用寿命的产品。其特点是：

[0027] 1)用金刚石膜代替或部分代替金刚石颗粒，保证了钻探过程中金刚石不脱粒或少脱粒、钻头底唇面的粗糙度和有效出刃，使钻进效率、钻进距离大幅提高，性能稳定、使用寿命长。

[0028] 2)可根据钻头的特点及用途，采用多种片状或条柱形金刚石膜、以及底唇部、侧面分布形态的设计。

附图说明

[0029] 图1是本发明的孕镶金刚石膜的钻头总体结构剖面图。

[0030] 图2是本发明的镶嵌条柱状金刚石膜钻头工作层的唇面和剖面示意图。

[0031] 图3是本发明的镶嵌片状金刚石膜的钻头工作层的唇面和剖面示意图。

[0032] 图4是本发明的镶嵌条柱状和片状金刚石膜的钻头工作层的唇面和剖面示意图。

[0033] 图5是本发明的在金刚石膜之间镶嵌有金刚石晶粒的钻头工作层的唇面和剖面示意图。

[0034] 图6是本发明的镶嵌片状金刚石膜有保径作用的钻头工作层的唇面和剖面示意图

具体实施方式

[0035] 下列实施例是对本发明的进一步说明，而不是局限本发明的范围。

[0036] 实施例1 结合附图说明本发明的孕镶金刚石膜的钻头总体结构[0037] 在图1～4中，1为钢体，2为工作层，3为胎体材料，4为金刚石膜，5为金刚石晶粒。其中，胎体材料3中孕镶金刚石膜4构成工作层2。

[0038] 与现有的钻头相同，孕镶金刚石膜的钻头也是由钢体1和工作层2顺次同轴线固定在一起构成，但是，本发明的工作层2是由金刚石膜4镶嵌排列在胎体材料3中构成，见图1。所述的金刚石膜4可以是片状的，如图3；可以是条柱状的，如图2；可以是片状和条柱状相间排列的，如图4。

[0039] 金刚石膜4的长度小于或等于工作层2的厚度，宽度为1～5mm。片状的金刚石膜4的宽度一般为3～5mm，条柱状的金刚石膜4的宽度一般为1～3mm。

[0040] 片状的金刚石膜4在底唇部分布是，片状金刚石膜4的横边与钻头横截面的径向垂直，即沿着钻头转动切线方向分布的；条柱状金刚石膜4在底唇部分布形态，是随机或规律分布；或条柱状金刚石膜与片状金刚石膜相间排布。

[0041] 实施例2 金刚石膜4之间镶嵌有金刚石晶粒5的钻头的结构

[0042] 图5给出本发明的在金刚石膜之间镶嵌有金刚石晶粒的钻头工作层的唇面和剖面示意图。其中5为金刚石晶粒。金刚石晶粒5可以混合孕镶在胎体材料3中；也可以将金刚石晶粒5先均匀粘在条柱状或片状金刚石膜4上，然后再镶嵌在胎体材料3中，图5所示的就是后一种情况的结构。

[0043] 实施例3 金刚石膜4起保径作用的钻头的结构

[0044] 图6给出本发明的金刚石膜起保径作用的钻头工作层的唇面和剖面示意图。其中金刚石膜4的表面暴露在工作层2的内或/和外侧面，在使用过程中起保径的作用。条柱状金刚石膜4的侧面也可以暴露在工作层2的内或/和外侧面，在使用过程中同样起保径的作用。

[0045] 实施例4 金刚石膜4的制备和切割

[0046] 本发明所提到的实施例所用的多晶金刚石膜4可以是采用微波等离子体CVD设备生长的，在单晶Si上高速生长多晶金刚石，生长之后将Si用化学方法处理掉，获得自支撑的高质量多晶金刚石膜。

[0047] 本发明所提到的实施例所用的多晶金刚石膜4也可以是采用本发明的科研课题组研发的热阴极辉光放电CVD设备中生长的，能够生长出高质量的多晶金刚石膜。

[0048] 本发明所提到的实施例所用的多晶金刚石膜4还可以是采用本发明的科研课题组自行改装的电子辅助热灯丝CVD设备生长的，能够大面积的生长多晶金刚石膜。

[0049] 本发明所提到的实施例中对金刚石膜4的切割，所使用的激光器是多功能固体脉冲激光器。通过编程控制可以切割任意形状的多晶金刚石片或金刚石条。

[0050] 实施例5 本发明的孕镶金刚石膜的钻头一次成型的制备(1)

[0051] 取40粒切割好的片状金刚石膜4按图3给出的位置均匀的镶嵌在胎体材料3中，成为工作层2材料，将工作层2材料装入石墨模具中压实后放入钢体1，烘干后在高温高压的条件下烧结热压成型，在保温材料中缓慢冷却至室温后加工水口和螺纹，即为孕镶金刚石条钻头。烧结采用的保压压力根据样品的面积不同为1～20MPa，烧结温度为900～1100℃，保温保压时间为5～10min。

[0052] 所有的钻头、锯片、磨头也可按此方法任意设计制作。

[0053] 实施例6 本发明的孕镶金刚石膜的钻头一次成型的制备(2)

[0054] 取40粒切割好的条柱状金刚石膜4按图2给出的位置均匀的镶嵌在胎体材料3中，成为工作层2材料，将工作层2材料装入石墨模具中压实后放入钢体1，烘干后在高温高压的条件下热压成型，在保温材料中缓慢冷却至室温后加工水口和螺纹，即为孕镶金刚石条钻头。工艺条件同实施例5。

[0055] 所有的钻头、锯片、磨头规格也可按此方法任意设计制作。

[0056] 实施例7 本发明的孕镶金刚石膜的钻头一次成型的制备(3)

[0057] 取32粒切割好的条柱状的金刚石膜4和40粒片状的金刚石4按图4给出的位置均匀的镶嵌在胎体材料3中，成为工作层2材料，将工作层2材料装入石墨模具中压实后放入钢体1，烘干后在高温高压的条件下热压成型，在保温材料中缓慢冷却至室温后加工水口和螺纹，即为孕镶金刚石膜钻头。工艺条件同实施例5。

[0058] 所有的钻头、锯片、磨头规格也可按此方法任意设计制作。

[0059] 实施例8 本发明的孕镶金刚石膜的钻头一次成型的制备(4)

[0060] 取32粒切割好的条柱状的金刚石膜4和40粒片状的金刚石膜4和一定数量的金刚石晶粒5均匀的镶嵌在胎体材料3中，成为工作层2材料，金刚石膜4和金刚石晶粒5可以参考图5给出的位置排列；将工作层2材料装入石墨模具中压实后放入钢体1，烘干后在高温高压的条件下热压成型，在保温材料中缓慢冷却至室温后加工水口和螺纹，即为孕镶金刚石条钻头。工艺条件同实施例5。

[0061] 所有的钻头、锯片、磨头规格可按此方法任意设计。

[0062] 实施例9 本发明的孕镶金刚石膜的钻头镶块式二次成型的制备[0063] 取32粒切割好的条柱状的金刚石膜4和40粒片状的金刚石膜4和一定数量的金刚石晶粒5均匀的镶嵌在胎体材料3中，成为工作层2材料，金刚石膜4和金刚石晶粒5可以参考图5给出的位置排列；将工作层2材料装入石墨模具中压实，烘干后在高温高压的条件下烧结热压成型，在保温材料中缓慢冷却至室温后把样品放入高频加热设备中，在700～900℃的温度下把热压好的工作层2在银铜焊料辅助下与铣好的刚体1焊接在一起，最后抛光以处理掉周围渗出的焊料和其他多余的部分。最后加工水口和螺纹，即为孕镶金刚石条钻头。其中烧结热压的工艺条件同实施例5。