一种CVD金刚石层-孕镶金刚石层-聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片

摘要

本发明涉及一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，由聚晶金刚石复合片层、孕镶金刚石层和CVD金刚石层组成，其中，所述孕镶金刚石层包裹住所述聚晶金刚石复合片层，且沿钻进方向，所述孕镶金刚石层的前端表面具有露出聚晶金刚石复合片层的凹槽，所述的CVD金刚石层设置在孕镶金刚石层上，并确保在钻进工作时，CVD金刚石层最先接触岩层。与现有技术相比，本发明结合CVD金刚石层+孕镶金刚石层+聚晶金刚石复合片层三者优势，既可以快速破岩提高工作效率，又提高复合片整体的使用寿命。对未来用于石油钻探、地质钻探及煤田开采等领域，具有很高的社会价值。

权利要求

1.一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，其特征在于，由聚晶金刚石复合片层、孕镶金刚石层和CVD金刚石层组成，其中，所述孕镶金刚石层包裹住所述聚晶金刚石复合片层，且沿钻进方向，所述孕镶金刚石层的前端表面具有露出聚晶金刚石复合片层的凹槽，所述的CVD金刚石层设置在孕镶金刚石层上，并确保在钻进工作时，CVD金刚石层最先接触岩层，孕镶金刚石层比聚晶金刚石复合片层先接触岩层；

沿钻进方向，所述的CVD金刚石层沉积在孕镶金刚石层的前端表面上；

所述的CVD金刚石层呈细条状插入所述孕镶金刚石层中，且CVD金刚石层的端部露出孕镶金刚石层的前端表面；

所述的凹槽的深度为20‑30μm。

2.根据权利要求1所述的一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，其特征在于，所述的CVD金刚石层的厚度不小于0.01mm。

3.根据权利要求1所述的一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，其特征在于，所述的CVD金刚石层的厚度为20 30 μm。

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4.根据权利要求1所述的一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，其特征在于，所述CVD金刚石层的数量为4‑8个。

5.根据权利要求1所述的一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，其特征在于，所述的凹槽中还进行植晶处理。

6.根据权利要求5所述的一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，其特征在于，植晶所用的金刚石微粉的粒度为纳米晶、亚微米晶、微米晶、细粒晶或粗粒晶的一种或者多种。

说明书

一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶

梯型复合片

技术领域

[0001] 本发明属于破岩工具制备技术领域，涉及一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片。

背景技术

[0002] 金刚石涂层是21世纪的一种新型功能材料，具有高强度、高摩擦磨损性能、高热导率和化学稳定性，有广泛的应用前景，钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工
具，其质量好坏严重影响了钻井质量与速度，同时，由于钻头更换的成本比较高，因此，提高
钻头的使用寿命也显得尤为重要。目前金刚石钻头工具运用较多的为聚晶金刚石复合片。

[0003] 聚晶金刚石复合片，是将硬质合金基体和金刚石微粉装入金属杯中，在金属催化剂条件下用高温高压烧结而成。由于钴的热膨胀系数与金刚石差异较大，在实际钻探过程
中，容易造成金刚石与金属钴之间形成微裂纹，引起复合片热失效；另一方面高温条件下促
进金刚石石墨化，缩短复合片的使用寿命。如专利CN107313720A公开了一种聚晶复合片钻
头，其在钻进硬度较高的岩层时，容易在井底打滑，钻速较慢，同时连续工作容易是工作区
温度较高，容易造成热磨损，造成钻头损坏，需要整体更换钻头，增加经济成本。专利
CN103072332A公开了一种聚晶金刚石复合片，上层为聚晶金刚石层，下层为硬质合金层。其
中聚晶金刚石层含有贫钴的耐磨区域和富钴的抗冲击区域，这样可以使聚晶金刚石复合片
在承受冲击的情况下不会直接破岩。但是实际情况下需要金刚石颗粒充分烧结，才能保证
复合片的耐磨性和抗冲击韧性。专利CN105215388A采用用改变硬质合金基体和聚晶金刚石
结合界面的方式，虽然降低界面的结合力，但是采用多为台阶性、凹槽等形状进行连接，并
没有改变两种材料的属性差异。通过高温高压烧结仍然容易出现局部的应力集中，导致工
具失效破裂降低使用寿命。

[0004] 而CVD金刚石层采用化学气相沉积的方法进行制备，其纯度越高、表面质量越好，CVD金刚石层的性能越优良。专利US5439492以及专利CN101476445A和CN102861917B分别提
出了覆盖CVD金刚石层来提高耐高温性和耐磨性的方案，虽然CVD层耐高温性得到了提高，
但是采用CVD方法沉积出的金刚石层本身的质量却难以保证。孕镶金刚石层，如专利
CN103406538A多为较细粒的金刚石颗粒分布到钻头胎体中，钻进时，随着胎体磨损，金刚石
会不断露出磨削岩石，具有抗压能力大、抗磨性力强、抗冲击力好的特点。CN105018780A提
出金刚石钻头胎体包含金刚石颗粒、WC、YG6及少量Co、Mn、Ti等金属，仍需要添加微量合金
元素和稀土元素改善结合性能，造成胎体复杂，混料不均，性能不均；钻进坚硬致密、弱研磨
性地层时容易打滑不进尺。

[0005] 综上所述，提供一种新型阶梯型复合片，提高其耐磨性和抗冲击韧性，延长使用寿命，是该技术领域人员亟待解决的关键问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是为了提供一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，以实现既可以快速破岩提高工作效率，又提高复合片整体的使用寿命。

[0007] 本发明具备聚晶金刚石复合片层硬度较高，耐磨性较强，对地质层有很强的切削能力，具有较高的机械钻速的优势；结合CVD金刚石层的高强度和耐磨性进行破岩、切削的
优势；孕镶金刚石的切削，犁削，划削和磨削的能力，具有较好的耐磨性和耐温性的优势,使
复合片具备良好的综合使用性能。

[0008] 本发明结合CVD金刚石层+孕镶金刚石层+聚晶金刚石复合片层三者优势，既可以快速破岩提高工作效率，又提高复合片整体的使用寿命。对未来用于石油钻探、地质钻探及
煤田开采等领域，具有很高的社会价值。

[0009] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0010] 一种CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，由聚晶金刚石复合片层、孕镶金刚石层和CVD金刚石层组成，其中，所述孕镶金刚石层包裹住所述
聚晶金刚石复合片层，且沿钻进方向，所述孕镶金刚石层的前端表面具有露出聚晶金刚石
复合片层的凹槽，所述的CVD金刚石层设置在孕镶金刚石层上，并确保在钻进工作时，CVD金
刚石层最先接触岩层。

[0011] 进一步的，沿钻进方向，所述的CVD金刚石层沉积在孕镶金刚石层的前端表面上。

[0012] 更进一步的，所述的CVD金刚石层的厚度不小于0.01mm。

[0013] 更进一步的，所述的CVD金刚石层的厚度为20～30μm。

[0014] 进一步的，所述的CVD金刚石层呈细条状插入所述孕镶金刚石层中，且CVD金刚石层的端部露出孕镶金刚石层的前端表面。

[0015] 更进一步的，所述的CVD金刚石层在孕镶金刚石层上呈环状均匀排列。

[0016] 更进一步优选的，所述CVD金刚石层的数量为4‑8个。

[0017] 进一步的，所述的凹槽的深度为20‑30μm。

[0018] 进一步的，所述的凹槽中还进行植晶处理。

[0019] 更进一步的，植晶所用的金刚石微粉的粒度为纳米晶、亚微米晶、微米晶、细粒晶或粗粒晶的一种或者多种。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0021] (1)本发明CVD金刚石层具备良好的磨削性能，孕镶金刚石层适合钻进较硬的岩层，聚晶金刚石复合片层具有较高钻速和进尺优势，本发明将其三者优势结合起来，提高阶
梯型复合片综合性能；

[0022] (2)当将CVD金刚石层布置在孕镶金刚石层的前端表面上时，可以利用CVD金刚石层的高耐磨性加工软到中硬岩层，提高复合片的使用寿命；其次利用孕镶金刚石的的磨削
作用进行破岩；结合聚晶金刚石复合片层的较高机械钻速和进尺，进一步提高工作效率；

[0023] (3)而当将CVD金刚石层以细条状置入孕镶金刚石层中时，首先利用CVD金刚石层高的硬度和耐磨性以局部硬点的形式，使岩层产生裂纹，进行破岩；其次利用孕镶金刚石的
的钻削和聚晶金刚石复合片层高钻速，进而提高阶梯型复合片的使用寿命和工作效率；

[0024] (4)本发明设计的阶梯型复合片钻头可以提高钻头寿命，降低换钻频率，提高经济效益，为钻头的产业化应用提供参考。

附图说明

[0025] 图1为本发明的阶梯形复合片的其中一种示意图；

[0026] 图2为阶梯形复合片的另一种示意图；

[0027] 图中标记说明：

[0028] 1‑CVD金刚石层，2‑孕镶金刚石层，3‑聚晶金刚石复合片层。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于
下述的实施例。

[0030] 以下各实施例中，对应的“上”、“下”等方向性的描述均以对应的附图为参考描述，在实际中可以根据需要对应调整。CVD金刚石层制备可以参考专利(CN107236935B)的制备
方法；孕镶金刚石层主要使用吉林大学超硬材料国家重点实验室的孕镶钻头的配方，如表1
所示，聚晶金刚石复合片层则是按照表2所示配方，并由山东东阿钻宝金刚石有限公司采用
常规方法生产制造而成。

[0031] 表1配方成分及含量

[0032]成分 WC YG6 Ni Mn 663青铜
质量百分比/％ 40 15 5 5 35
3
密度/(g/cm) 15.5 15.1 8.9 7.43 8.8

[0033] 表2合金组分及含量

[0034]合金组分 WC Co Cu Sn
质量百分比/％ 61.10 3.90 29.75 5.25

[0035] 实施例1：

[0036] 一种CVD金刚石层+孕镶金刚石层+聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片，该阶梯型复合片从上到下依次由CVD金刚石层1、孕镶金刚石层2和聚晶金刚石复合片层3构成。聚
晶金刚石复合片层3被孕镶金刚石层2所包裹，利用特殊构型的组合模具来烧结此种形状的
复合片，同时，孕镶金刚石层2的上表面具有一露出聚晶金刚石复合片层3的凹槽，在孕镶金
刚石层2和聚晶金刚石复合片层3之间的凹槽中进行植晶。植晶所采用金刚石微粉的粒度可
以为纳米晶(1～100nm),亚微米晶(0.1～1μm),微米晶(1～10μm),细粒晶(10～100μm),粗
粒晶(0.1～1mm)的一种或者多种(本实施例采用纳米晶粒度)。运用化学气相沉积方法采用
MPCVD装置在复合片表面沉积一层CVD金刚石薄膜，薄膜厚度为20～30μm。

[0037] 在实际工况下，首先加工的是软到中硬的岩层，所受冲击不是很大，CVD金刚石层1，发挥其较强的耐磨性，进行加工。当加工的中硬到较硬岩层时，CVD金刚石层1由于抗冲击
性差，附着性差而脱落，孕镶金刚石层2显露出来继续加工岩层。但机械钻速和进尺效果较
差，此时聚晶金刚石复合片层3发挥作用。因为孕镶金刚石层2和聚晶金刚石复合片层3的厚
度差为20～30μm，相差不大，岩层也不是绝对水平，因此钻进工作交错进行。通过此种设计
的阶梯型复合片，可以提高复合片的寿命，减少换钻频率，增加经济效益。

[0038] 实施例2

[0039] 一种CVD金刚石层+孕镶金刚石层+聚晶金刚石复合片层的复合片，该阶梯型复合片从上到下依次是CVD金刚石层1,孕镶金刚石层2，聚晶金刚石复合片层3。CVD金刚石层1呈
细条状，同时细条状的CVD金刚石层1数量可以为4,6,8等，呈环状均匀排列到孕镶金刚石层
2中。聚晶金刚石复合片层3被孕镶金刚石层2所包裹，利用特殊构型的组合模具来烧结此种
形状的复合片。聚晶金刚石复合片层3被孕镶金刚石层2所包裹，利用特殊构型的组合模具
来烧结此种形状的复合片，同时，孕镶金刚石层2的上表面具有一露出聚晶金刚石复合片层
3的凹槽，CVD金刚石层1露出孕镶金刚石层2、以及凹槽的深度均为20‑30μm左右。凹槽中需
要植晶，并在此基础上参考发明专利(CN107236935B)的制备方法进行金刚石涂层的沉积。
植晶所用的金刚石微粉的粒度为纳米晶、亚微米晶、微米晶、细粒晶或粗粒晶的一种或者多
种。

[0040] 在实际工作过程中，首先，因为CVD金刚石层1纯度较高，破岩效果较好，岩层遇到最硬的材料相当于遇到硬质点，产生裂纹；随后孕镶金刚石层2利用其磨削作用，逐渐使岩
层破碎开裂；最后利用聚晶金刚石复合片层3的综合作用，可以实现较好的机械钻速和进
尺，从而实现石油勘探和地质钻井。

[0041] 因为岩层不是绝对水平，同时CVD金刚石层1，孕镶金刚石层2和聚晶金刚石复合片层3的两两之间的高度差也不是很大。当岩层接触聚晶金刚石复合片层3时，可以优先利用
聚晶金刚石复合片层3发挥类似铣刀或微刀等切削作用，先破碎岩石，产生裂纹进行扩展；
当孕镶金刚石层2接触岩层时，孕镶金刚石类似砂轮磨削方法清除岩石，提高复合钻头使用
寿命，并可以适当提高钻头转速和钻头的压力。

[0042] 性能测试

[0043] 对实施例1、实施例2的CVD金刚石层‑孕镶金刚石层‑聚晶金刚石复合片层的阶梯型复合片的硬度、耐冲击性能和磨耗比测试。

[0044] 采用EM‑4000显微维氏硬度测量系统进行硬度测试；对阶梯复合片在800～900℃加热2min,采用钢球冲击试验进行冲击性测试(KR‑1型抗冲击韧性测定仪)，钢球质量：
0.5kg，落球距离为40cm；采用模拟钻削实验进行测量，加工一定体积的花岗岩，再计算磨耗
比：磨耗比＝花岗岩磨损质量/复合片的磨损质量。分析其磨耗比，越大越好。

[0045] 表3

[0046]   硬度/Hv 冲击次数 磨耗比/万实施例1 48 19 49
实施例2 43 15 41
常规 30 10 32

[0047] 由表3可知，本发明提供的阶梯型复合片具有硬度高、效率好的优点。适用于石油钻探、地质钻探及煤田开采等领域，具有很高的应用前景。

[0048] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般
原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领
域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的
保护范围之内。