[发明专利]一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及超硬材料技术领域，尤其是涉及一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法。

背景技术

随着现代社会的发展，人们对资源消耗不断增加，地质找矿钻探正向深部、超深部发展，随着钻探深度的增加，地质硬度也随着增加，使得深孔地质钻探的难度越来越大。普通钻头在钻进坚硬岩石地层时，容易出现钻进效率低，钻头寿命短、采取率比较低等情况，很大程度上阻碍了钻探工作的进行。而孕镶金刚石钻头可以有效解决普通钻头所遇到的困难，其通过孕镶在胎体中的金刚石对地层的磨削完成钻进。然而在钻进过程中，孕镶钻头上的金刚石会随着胎体的不断磨削而持续脱落，最终使得胎体对金刚石的包镶力度不够而使金刚石发生脱落，从而导致钻头寿命与钻进效率也大大降低。

目前较为常用的两种钻头之一的PDC钻头在适应地层中具有机械钻速快、进尺高、钻压较小特点，在钻井工程中得到了广泛应用，但因为PDC钻头的金刚石复合片中金刚石层只有2mm左右，金刚石含量较低，因此对于硬研磨性地层来说，PDC钻头的PDC复合片容易脆裂并磨损失效，使其寿命小，进尺低。PDC钻头在硬研磨性地层钻进时，往往会因为钻头失效而起钻。所以PDC钻头在硬研磨性地层中具有一定的局限性。

另外一种常用钻头孕镶金刚石钻头，钻头上的金刚石颗粒会随着胎体的不断磨削而持续脱落，最终使得胎体对金刚石的包镶力度不够而使金刚石发生脱落，从而导致钻头寿命与钻进效率也大大降低。

为了改进孕镶钻头等钻头寿命和钻进效率降低的问题，国内外申请人进行的大量的研究，如申请号200610016924.6的专利“仿生孕镶金刚石钻头及其制造方法”，所设计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。该专利设计是旨在优化钻头胎体的基础上提高钻头的性能。另外公开号为101608533的专利“孕镶金刚石膜的钻头及其制备方法”，在钻头中用CVD金刚石厚膜代替传统的金刚石颗粒，通过一定的分布形态，将金刚石条嵌入到钻头的底唇面或侧面，使得钻头的耐磨性更强，钻进效率和使用寿命都得到了提高。

但是，上述两件专利中提到的改进均不是特别理想。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法，包括以下步骤：

(1)酸洗

取孕镶金刚石基体置于酸溶液中，酸洗，腐蚀除去表面的Co；

(2)超声清洗

取酸洗后的孕镶金刚石基体，置于金刚石微粉的悬浮液中，超声处理；

(3)氢等离子体刻蚀

再将酸洗和超声清洗后孕镶金刚石基体放入化学气相沉积设备中，通入氢气，进行等离子体刻蚀；

(4)原位沉积生长金刚石涂层

刻蚀完成后，继续通入氢气，并同时通入CH₄气体，原位沉积，冷却，即得到表面生长有金刚石涂层的孕镶金刚石。

步骤(1)中，所述的酸溶液为10～20wt％HNO₃溶液，酸洗时间为10～20min。

步骤(2)中，所述的金刚石微粉呈微晶或纳米大小，其悬浮液所用溶剂选自乙醇或丙酮。

超声处理的工艺条件为：处理时间为0.2-0.8h，超声频率36-45KHz。

刻蚀的工艺条件为：在气压为10-15kPa，微波功率为1000-1500W的条件下，通入200sccm的氢气刻蚀0.5h。

步骤(4)中，通入的CH₄满足孕镶金刚石基体沉积时周围气体中CH₄的体积浓度为1-2％。

原位沉积的工艺条件为：沉积气压为10-15kPa，微波功率为1000-1500W，且当孕镶金刚石基体温度达到700-850℃后，沉积6-8h。

步骤(1)中，所述的孕镶金刚石基体由硬质合金粉末和金刚石颗粒通过热压烧结而成。