ПРОИЗВОДСТВО АЛМАЗНОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА НА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЯЗКАХ

euroasia

10 лет назад

Алмазное бурение является наиболее производительным способом образования скважин в твердых горных породах. Эффективность алмазного бурения в значительной степени зависит от работоспособности применяемого инструмента. Конструктивно буровой инструмент состоит из стального корпуса и алмазосодержащей матрицы. Алмазы являются упрочняющей фазой, которая при эксплуатации инструмента несет основную нагрузку, необходимую для разрушения породы [3]. Матрица служит для передачи нагрузки и совершает дополнительную работу по разрушению горной породы.

Процесс производства алмазного бурового инструмента методом порошковой металлургии может осуществляться двумя способам: пропитки или горячего прессования [1]. Способ пропитки заключается в том, что отформованную в холодном состоянии алмазоносную матрицу нагревают в графитовой форме до определенной температуры и пропитывают жидким металлом или сплавом, который заполняет сообщающиеся поры формовки (инфильтрация). Для алмазных инструментов промышленные предприятия преимущественно используют связку М50, содержащую карбид вольфрама (89..94%) и кобальт (6…11%). Эта связка обеспечивает высокую твердость алмазного слоя (HR_С 42…44), износостойкость при обработке абразивных пород. Однако использование дефицитного вольфрама и кобальта существенно увеличивает стоимость инструмента. Для пропитки используют медь или сплавы на основе меди (латунь, медно-никелевые сплавы). Способ пропитки осуществляется в водородных электропечах при высоких температурах нагрева (1200-1250^ОС), Одновременно с инфильтрацией пропитывающего материала происходит припайка матрицы к корпусу. Недостатком способа является определенная технологическая нестабильность. Так, исходное состояние металлических порошков и алмазов может существенно влиять на качество инфильтрации жидкой фазы. Разница в значениях коэффициентов линейного расширения стального корпуса, графитовой прессформы, алмаза и порошковой связки может явиться причиной возникновения трещин в матрице, ее отрыва от корпуса. В результате неравномерной инфильтрации твердого сплава связки материалами пропитки возможна повышенная пористость матрицы, что приводит к пониженным значениям ее прочностных характеристик

В алмазных инструментах всё большее применение находят синтетические алмазы. Однако в сравнении с природными алмазами они обладают пониженной термостойкостью. В процессе изготовления и при работе инструмента алмазы испытывают циклический нагрев. Природные алмазы могут, не теряя прочности, выдерживать нагрев до 1800° С. Массовое разрушение синтетических алмазов начинается после нагрева до температуры 900–950° С, что объясняется образованием микротрещин и раковин на поверхности алмазных зерен. С повышением температуры нагрева от 1000⁰С до 1200⁰С размер раковин увеличивается в 5 раз: от 5–10 мкм до 50–70 мкм. Изменение свойств синтетических алмазов приводит к их графитизации и снижению прочности [5]. Поэтому для сохранения ресурса работы инструмента с синтетическими алмазами технологический процесс его изготовления должен осуществляться в соответствующем температурном интервале.

Актуальной является задача создания связок, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, которые могут использоваться при более низких температурах производства алмазного инструмента (не выше 900°С) и обеспечивают использование недефицитных исходных материалов. При этом физико-механические свойства связки должны соответствовать прочностным свойствам алмазов, твердости и абразивности разрушаемой породы. Матрица должна обладать хорошим алмазоудержанием при высокой износостойкости. Износостойкость матрицы характеризуется величиной потери массы при абразивном износе испытываемого образца за единицу времени. На практике износостойкость матрицы ориентировочно оценивают по ее твердости. Матрицы коронок для бурения абразивных пород IX – X категорий буримости при твердости породы 40-60 МПа должны обладать твердостью 30-35 HR_С.

Нами предложены способ и металлическая связка для изготовления алмазного бурового инструмента, позволяющия осуществлять процесс в диапазоне температур 650-800^ОС при сохранении высоких эксплуатационных характеристик. Получено авторское свидетельство СССР SU 1469746 «Способ изготовления алмазного инструмента и металлическая связка для алмазного инструмента» [6]. Технология изготовления алмазного инструмента включает: холодное прессование связки и алмазов в специальной пресс-форме корпусом инструмента, нагрев в печи с водородной средой до заданной температуры, выдержку при этой температуре, горячее прессование в той же пресс-форме. Матрица имеет рабочий и переходный слои. Рабочий слой включает элементы, масс. % : карбид вольфрама 10-20, рэлит (литой карбид вольфрама) 5-15, олово 13-18, никель 2-5, медь – остальное. Наличие в связке рэлита, имеющего высокую миротвердость (24-25 ГПа), приводит к повышению твердости и износостойкости связки. Размер зерен рэлита колеблется от 100 до 300 мкм. Для обеспечения прочного соединения корпуса инструмента с алмазоносной матрицей перед установкой в пресс-форму корпус обрабатывают специальным флюсом, имеющим состав, масс.%: хлористый цинк 68-70, хлористое олово 28-38, хлорная медь 1-3 [6].

Качество алмазного инструмента при заданных его форме и конструктивных размерах зависит от исходных материалов алмазного порошка и компонентов связки, а также от режимов изготовления, обеспечивающих требуемый уровень механических свойств и ресурс работы инструмента. Нами проведены исследования с безалмазными связками, позволяющие установить область оптимальных значений режимов. Для сравнительных экспериментов была использована связка состава, масс. %: карбид вольфрама 20, рэлит 5, олово 13, никель 2, хлористый калий 3, хлористый натрий 2, медь – остальное. Порошки компонентов были использованы для получения образцов диаметром 10 мм, высотой 5 мм. Масса связки на один образец 0,012 кг.

Исследования проводились методом активного многофакторного эксперимента [4]. В качестве переменных были выбраны четыре фактора: удельное давление холодного прессования (Х₁), температура нагрева (Х₂), удельное давление горячего прессования (Х₃), время выдержки при температуре нагрева (Х₄). Область исследования режимов выбрана на основании предварительных опытов. В качестве параметра оптимизации (Y) принят показатель твердости связки HR_С. Измерение твердости осуществлялось на приборе Роквелла. Условия планирования экспериментов показаны в таблице 2.

Таблица 2

Условия планирования экспериментов

ФАКТОРЫ	Удельное давление холодного прессования, МПа	Температура нагрева, град. С	Удельное давление горячего прессования, МПа	Время выдержки, мин.
Обозначения	Х₁	Х₂	Х₃	Х4
Основной уровень	150	720	120	15
Интервал варьирования	50	30	30	5
Нижний уровень (-)	100	690	90	10
Верхний уровень (+)	200	750	150	20

Был поставлен полный факторный эксперимент из 16 опытов при варьировании четырьмя факторами на двух уровнях. Матрица планирования экспериментов показана в таблице 3.

Таблица 3

Матрица планирования экспериментов

№ опыта	Удельное давление холодного прессования, МПа	Температура нагрева, град.C	Удельное давление горячего прессования, МПа	Время выдержки, мин	Твердость, HRc
1	100	690	90	10	19
2	200	690	90	10	16
3	200	690	150	10	28
4	200	690	150	20	24
5	200	750	90	20	33
6	100	750	90	20	38
7	100	750	150	20	37
8	100	750	150	10	37
9	100	690	90	20	22
10	200	690	90	20	30
11	100	690	150	10	34
12	100	750	150	20	31
13	200	750	90	10	33
14	100	750	90	10	32
15	200	750	150	10	36
16	200	690	150	20	35

Результаты исследований обработаны с помощью компьютерной программы Statistica [2]. Получено линейное уравнение регрессии (p<0,05):

Y = 30,3 — 1,9 Х₁+4,8 Х₂+2,4 Х₃ + 0,9 Х₄,

где Х₁— удельное давление холодного прессования,

Х₂— температура нагрева,

Х₃— удельное давление горячего прессования,

Х₄— время выдержки при температуре нагрева.

Значения факторов Х₁ , Х₂, Х₃, Х₄ входят в уравнение регрессии в кодированном масштабе (+1, -1). Величина и знаки коэффициентов уравнения регрессии показывают, что наиболее сильное влияние на параметр оптимизации оказывают факторы: температура нагрева (Х₂), удельное давление горячего прессования (Х₃) и удельное давление холодного прессования (Х₁). Менее значимо влияние продолжительности выдержки (Х₄). При этом факторы Х_{2 ,} Х₃ , Х₄ стремятся к верхнему пределу (положительные значения), а фактор Х₁ – к нижнему пределу (отрицательное значение). Проверка подтвердила, что все коэффициенты регрессии статистически значимы (p<0,05), поэтому данное уравнение может быть использовано для определения движения к оптимуму.

Заключение. Выполненные исследования позволили установить область оптимальных значений технологических режимов технологического: удельное давление холодного прессования 100…150 МПа, температура нагрева 720…750^ОС, удельное давление горячего прессования 100…120 МПа, время нагрева 10-12 минут. При данных режимах были изготовлены импрегнированные буровые коронки диаметром 59 мм с синтетическими алмазами АРС3. Твердость рабочего слоя находилась в пределах 30…35 НR_С, что отвечает требованиям стандарта. Опытные испытания коронок при обработке горных пород показали положительные результаты.

Библиография

Бакуль В.Н. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента: учебное пособие. — М.: Машиностроение, 1975. – 269с.
2. Боровиков В.П., Ивченко Г.И. Прогнозирование в системе STATISTICA и среде Windows. — М.: Финансы и статистика, 1999. – 382 с.
ГОСТ 9206-80 Порошки алмазные. Технические условия.– М.: ИПК Изд-во стандартов, 2008.
Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. – Л.: Наука, 1982. — 340 с.
Симкин Э.С. Графитизация алмазов при нагреве в различных газовых средах // Сверхтвердые материалы, 1985. – № 3. – С. 76-82.
Эльбаева Р.И., Никишкина Л.А. АС СССР SU 1469746 В 24, В 22 «Способ изготовления алмазного инструмента и металлическая связка для алмазного инструмента».[schema type=»book» name=»ПРОИЗВОДСТВО АЛМАЗНОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА НА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЯЗКАХ» author=»Эльбаева Раиса Ивановна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-15″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]