Тэрмічны знос і выдаленне кобальту з PDC

I. Тэрмічны знос і выдаленне кобальту з PDC

У працэсе спякання PDC пад высокім ціскам кобальт дзейнічае як каталізатар, які спрыяе непасрэднаму злучэнню алмаза і алмаза, і робіць алмазны пласт і матрыцу карбіду вальфраму адзіным цэлым, у выніку чаго рэжучыя зубы PDC, прыдатныя для геалагічнага бурэння нафтавых радовішчаў, маюць высокую трываласць і выдатную зносаўстойлівасць.

Цеплавая ўстойлівасць алмазаў даволі абмежаваная. Пад атмасферным ціскам паверхня алмаза можа трансфармавацца пры тэмпературы каля 900℃ і вышэй. Падчас выкарыстання традыцыйныя алмазныя свідравіны (PDC) маюць тэндэнцыю да дэградацыі пры тэмпературы каля 750℃. Пры свідраванні цвёрдых і абразіўных слаёў горных парод PDC могуць лёгка дасягнуць гэтай тэмпературы з-за цяпла трэння, і імгненная тэмпература (г.зн. лакалізаваная тэмпература на мікраскапічным узроўні) можа быць яшчэ вышэйшай, значна перавышаючы тэмпературу плаўлення кобальту (1495°C).

У параўнанні з чыстым алмазам, з-за наяўнасці кобальту алмаз ператвараецца ў графіт пры больш нізкіх тэмпературах. У выніку знос алмаза выклікаецца графітызацыяй, якая ўзнікае ў выніку лакалізаванага трэння. Акрамя таго, каэфіцыент цеплавога пашырэння кобальту значна вышэйшы, чым у алмаза, таму падчас награвання сувязь паміж алмазнымі зернямі можа быць парушана пашырэннем кобальту.

У 1983 годзе два даследчыкі правялі апрацоўку выдалення алмазаў з паверхні стандартных алмазных слаёў PDC, што значна палепшыла прадукцыйнасць зубцоў PDC. Аднак гэтаму вынаходству не надалі належнай увагі. Толькі пасля 2000 года, маючы больш глыбокае разуменне алмазных слаёў PDC, пастаўшчыкі свердзелаў пачалі ўжываць гэтую тэхналогію да зубцоў PDC, якія выкарыстоўваюцца пры свідраванні горных парод. Зубцы, апрацаваныя гэтым метадам, падыходзяць для высокаабразіўных утварэнняў са значным тэрмічным механічным зносам і звычайна называюцца «дэкабальтаванымі» зубцамі.

Так званы «дэкабальт» вырабляецца традыцыйным спосабам для атрымання PDC, а затым паверхня яго алмазнага пласта апускаецца ў моцную кіслату для выдалення фазы кобальту праз працэс кіслотнага травлення. Глыбіня выдалення кобальту можа дасягаць каля 200 мікрон.

Выпрабаванне на знос у цяжкіх умовах было праведзена на двух аднолькавых зубцах PDC (адзін з якіх прайшоў апрацоўку паверхні алмазным пластом для выдалення кобальту). Пасля разразання 5000 м граніту было выяўлена, што хуткасць зносу PDC без выдалення кобальту пачала рэзка павялічвацца. У адрозненне ад гэтага, PDC з выдаленнем кобальту падтрымліваў адносна стабільную хуткасць рэзання пры разразанні прыблізна 15 000 м пароды.

2. Метад выяўлення PDC

Існуе два віды метадаў выяўлення зубоў PDC, а менавіта разбуральны кантроль і неразбуральны кантроль.

1. Разбуральны кантроль

Гэтыя выпрабаванні прызначаны для максімальна рэалістычнага мадэлявання ўмоў у свідравіне, каб ацаніць прадукцыйнасць рэжучых зуб'яў у такіх умовах. Дзве асноўныя формы разбуральных выпрабаванняў - гэта выпрабаванні на зносаўстойлівасць і выпрабаванні на ўдаратрываласць.

(1) Выпрабаванне на зносаўстойлівасць

Для правядзення выпрабаванняў на зносаўстойлівасць PDC выкарыстоўваюцца тры тыпы абсталявання:

A. Вертыкальны такарны станок (VTL)

Падчас выпрабавання спачатку замацоўваюць долата PDC на такарным станку VTL і змяшчаюць узор горнай пароды (звычайна граніт) побач з долатам PDC. Затым паварочваюць узор горнай пароды вакол восі такарнага станка з пэўнай хуткасцю. Долата PDC рэжа ўзор горнай пароды на пэўную глыбіню. Пры выкарыстанні граніту для выпрабаванняў гэтая глыбіня рэзання звычайна складае менш за 1 мм. Гэта выпрабаванне можа быць як сухім, так і мокрым. Пры «сухім выпрабаванні VTL», калі долата PDC рэжа горную пароду, астуджэнне не ўжываецца; усё цяпло, якое выпрацоўваецца ад трэння, паступае ў PDC, паскараючы працэс графітызацыі алмаза. Гэты метад выпрабавання дае выдатныя вынікі пры ацэнцы долат PDC ва ўмовах, якія патрабуюць высокага ціску свідравання або высокай хуткасці кручэння.

«Вільготнае выпрабаванне VTL» вызначае тэрмін службы PDC ва ўмовах умеранага нагрэву шляхам астуджэння зуб'яў PDC вадой або паветрам падчас выпрабаванняў. Такім чынам, асноўнай крыніцай зносу ў гэтым выпрабаванні з'яўляецца шліфаванне ўзору горнай пароды, а не фактар нагрэву.

B, гарызантальны такарны станок

Гэта выпрабаванне таксама праводзіцца з гранітам, і прынцып выпрабавання ў асноўным такі ж, як і ў VTL. Час выпрабавання складае ўсяго некалькі хвілін, а цеплавы ўдар паміж гранітам і зуб'ямі PDC вельмі абмежаваны.

Параметры выпрабаванняў граніту, якія выкарыстоўваюцца пастаўшчыкамі шасцярняў PDC, могуць адрознівацца. Напрыклад, параметры выпрабаванняў, якія выкарыстоўваюцца кампаніямі Synthetic Corporation і DI Company у ЗША, не зусім аднолькавыя, але яны выкарыстоўваюць для сваіх выпрабаванняў адзін і той жа гранітны матэрыял — буйную або сярэднюю полікрышталічную магматычную пароду з вельмі малой сітаватасцю і трываласцю на сціск 190 МПа.

C. Прыбор для вымярэння каэфіцыента абразіі

Пры пэўных умовах алмазны пласт PDC выкарыстоўваецца для апрацоўкі шліфавальнага круга з карбіду крэмнію, а суадносіны хуткасці зносу шліфавальнага круга і хуткасці зносу PDC прымаецца за індэкс зносу PDC, які называецца каэфіцыентам зносу.

(2) Выпрабаванне на ўдаратрываласць

Метад выпрабаванняў на ўдар прадугледжвае ўстаноўку зубцоў PDC пад вуглом 15-25 градусаў, а затым скіданне прадмета з пэўнай вышыні, каб ён вертыкальна ўдарыў па алмазным пласце на зубцах PDC. Вага і вышыня падаючага прадмета паказваюць узровень энергіі ўдару, які адчувае тэставы зуб, і які можа паступова павялічвацца да 100 джоўляў. Кожны зуб можа падвяргацца ўздзеянню 3-7 разоў, пакуль далейшыя выпрабаванні не стануць немагчымымі. Як правіла, на кожным узроўні энергіі тэстуецца не менш за 10 узораў зубцоў кожнага тыпу. Паколькі існуе дыяпазон устойлівасці зубцоў да ўдару, вынікі выпрабаванняў на кожным узроўні энергіі адлюстроўваюць сярэднюю плошчу адколвання алмаза пасля ўдару для кожнага зубца.

2. Неразбуральны кантроль

Найбольш шырока выкарыстоўваным метадам неразбуральнага кантролю (акрамя візуальнага і мікраскапічнага кантролю) з'яўляецца ультрагукавое сканаванне (Cscan).

Тэхналогія сканавання C дазваляе выяўляць дробныя дэфекты і вызначаць іх месцазнаходжанне і памер. Пры правядзенні гэтага тэсту спачатку змясціце зуб PDC у рэзервуар з вадой, а затым праскануйце ультрагукавым зондам;

Гэты артыкул перадрукаваны з «Міжнародная сетка металаапрацоўкі«