Библиотека

СИНТЕТИЧЕСКИЕ АЛМАЗЫ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ (часть 2)

Для повышения термопрочности алмазов в Институте сверхтвердых материалов (ИСМ) разработан способ синтеза алмазов, позволяющий получить кристаллы с массовой долей включений в пределах от 0,2 до 0,5 %. Эти алмазы, обозначаются индексом Т. В табл. 6.6 и 6.7 приводятся значения коэффициентов термопрочности алмазов марки ACT, их характеристика, область применения.

Таблица 6.6

Таблица 6.7

Применение термопрочных алмазов весьма эффективно при бурении скважин в сложных геологических условиях, связанных с абразивностью, трещиноватостью, перемежаемостью и т.д. Показатели прочности алмазов марки ACT, синтетических алмазов зарубежных фирм и природных алмазов приведены в табл. 6.8.

Таблица 6.8

Наряду с влиянием на прочность наличие в СА металлов-растворителей придает им ферромагнитные свойства. Ферромагнитные примеси в СА можно обнаружить непосредственно по поведению отдельных зерен в магнитном поле. Алмазы с большим количеством примесей реагируют на меньшую напряженность магнитного поля, и наоборот, - алмазы с меньшим количеством примесей отсортировываются при более высокой напряженности поля. Изучение этих свойств и разделение СА в соответствии с ними производится на электромагнитном сепараторе типа 138-СЭМ, который позволяет регулировать напряженность магнитного поля до 875 кА/м и таким образом выделять практически немагнитные кристаллы.

Сравнение ферромагнитных свойств и прочности СА после отжига при различных температурах показывает, что, по-видимому, в исходных СА часть металлических включений переходит в ферромагнитное состояние и такой переход влияет на прочность алмазов.

Исследования показывают, что оптимальное значение напряженности сепаратора при разделении монокристаллических СА составляет 44,6 кА/м. Отобранные при этом алмазы обладают наиболее высокой прочностью. Такой режим работы позволяет выделить около 60 % зерен немагнитной фракции и 40 % - магнитной.

Кристаллографический анализ показывает, что алмазы магнитной и немагнитной фракций одной партии практически не отличаются по агрегатности (содержание монокристаллов и сростков) и окраске (магнитная фракция при визуальном сравнении лишь несколько темнее, что связано с количеством включений), но зато значительно отличаются по дефектам поверхности, крупным сторонним включениям, а также трещинам и сколам.

Таким образом, можно сделать вывод, что монокристаллические СА обладают различными свойствами.

Выполненный комплекс исследований позволил разработать композиционный материал твесал на основе твердых сплавов с включениями синтетических алмазов. Физико-механические свойства твесалов в зависимости от зернистости и концентрации СА приведены в табл. 6.9.

Таблица 6.9

Характеристика твесалов

Изделия из твесала изготовляются различной формы и размеров. Так, в буровых коронках для оснащения подрезного слоя применяется твесал цилиндрической формы, а объемного слоя - трапецеидальной.

Для повышения эффективности использования поликристаллических алмазов в буровом инструменте разработан ряд способов спекания при высоких давлениях и температурах алмазно-твердосплавных пластин (АТП), обладающих повышенной прочностью, термостойкостью и ударной вязкостью.

Большинство изделий - двухслойные, в которых поликристаллический алмазный слой изготавливают на подложке из твердого сплава (карбида вольфрама, цементированного кобальтовой смазкой), что сводит к минимуму напряжения, возникающие между слоями при спекании АТП вследствие различия коэффициентов термического расширения алмаза и подложки.

При спекании сложных сверхтвердых материалов происходит пропитка алмазного слоя металлом-связкой подложки. Осуществляется активация спекания поликристаллического алмазного слоя, и иногда происходит рост алмазных зерен из раствора углерода в металле связки.

Фирмой « General Electric » (США) выпускаются многослойные пластины на основе алмаза марок Compax , Simpax , Megapax , Stratopax . В бурении наибольшее распространение получил материал Stratopax , представленный пластинами диаметром 13,5 мм и толщиной 3,5 мм с поликристаллическим покрытием алмазов 0,5 мм. Из цилиндрических пластин изготавливаются пластины треугольной, квадратной, ромбической форм и сегменты.

Алмазный слой состоит из спеченных между собой кристаллов, 60 % которых имеют размеры 100-150 мкм, остальные - от 5 до 60 мкм. Твердость пластин Stratopax при ее измерении алмазной пирамидой с ромбическим основанием (индентором Кнупа) на приборе ПМТ-3 при нагрузке 9,8 Н составляет от 50 до 81 ГПа.

Фирма « De Beers » (ЮАР) выпускает материал Sindit в виде двухслойных пластин, состоящих из алмазного слоя толщиной 1,0-1,5 мм и твердосплавной подложки. Заготовки Sindit выпускаются в виде дисков (90 типоразмеров), пластин (11 типоразмеров) и круговых сегментов (60 типоразмеров). Размер кристаллов в алмазном слое - более 80 мкм с мелкими частицами 20—30 мкм в промежутках. Между алмазным слоем и подложкой имеется промежуточный слой толщиной 50 мкм, состоящий из очень мелких (1-5 мкм) спеченных алмазных зерен. Твердость Sindit по Кнупу составляет 49,8 ГПа, предел прочности на растяжение 1,29 ГПа, при поперечном изгибе -1,10 ГПа.

Изготовленный материал Sindit не имеет поверхности раздела между твердосплавной подложкой и поликристаллическим алмазным слоем, что исключает разрушение пластин при нагреве в процессе бурения.

Фирмой « Sumitomo Electric » (Япония) выпущены поликристаллические алмазы на твердосплавной подложке под маркой Sumi DJADA трех разновидностей DA -200, DA -150, DA -100. Алмазы DA -150 обладают высоким сопротивлением абразивному износу; из них изготавливают неперетачиваемые пластины треугольной, квадратной и ромбической форм с размерами по ребрам 3-16 мм и толщиной 1,5-5,0 мм.

В СНГ разработано несколько марок поликристаллических алмазов на подложке ДАП, СВБН, БПА, АТП, АЛВ. Материал АТП (совместная разработка ИСМ и ВНИИалмаз) применяется в основном для оснащения породоразрушающего инструмента.

Цилиндрические пластины АТП изготовляются двух типоразмеров: диаметром и 8,0 и 13,5 мм и толщиной соответственно 3,0 и 3,5 мм при толщине алмазного слоя 0,7-0,8 мм. При строгании блока кварцевого песчаника с углубкой 0,5 мм пластиной АТП при износе по высоте 0,8 мм было пробурено более 700 м, что превышает проходку пластины Stratopax аналогичных размеров.

Остальные показатели пластины АТП близки соответствующим показателям природных алмазов.

Наличие в алмазном слое металлов - растворителей углерода может привести к снижению эксплуатационных свойств пластин при нагреве выше 1000 °С. В слое появляются радиальные трещины, а иногда происходит отделение слоя от твердосплавной подложки. Поскольку АТП не меняют своих свойств при нагреве до 900-950 °С, их закрепляют в корпусе бурового инструмента с помощью пайки низкотемпературным припоем на основе серебра (ПСР-40), обеспечивающим прочность на сдвиг от 250 до 380 МПа.

"Разведочное бурение" / А.Г. Калинин, О.В. Ошкордин, В.М. Питерский, Н.В. Соловьев, "Недра" М 2000

Вернуться в списку статей