статью - Буровая Лаборатория

Аннотация
В статье представлены результаты лабораторных испытаний износостойкости
нового термически стабильного поликристаллического сверхтвёрдого материала (СТМ) на
основе алмаза и карбида кремния изготовленного с применением нанотехнологии.
Полученные результаты показывают что, испытанный материал значительно превосходит
по работоспособности в буровом инструменте известные СТМ в том числе и природные
алмазы. Нагревание материала до 1200 ˚С приводит к увеличению его прочности в
отличии от других поликристаллических алмазных материалов теряющих прочность
после такого нагрева.
Ключевые слова
Сверхтвёрдый материал, алмаз, карбид кремния, лабораторные испытания,
износостойкость, бурение.
Об авторах
Федотков Г.Г. Горный инженер, специальности: 1- технология и техника бурения
скважин, 2-конструирование и химическая сборка новых материалов (нанотехнология).
Клуб «Буровая лаборатория» Контакты: E-mail: fedot179@yandex.ru
Телефоны: +7 911 21 21 491, +7 931 941 92 94
Лабораторные исследования износостойкости алмазного
поликристаллического термостабильного сверхтвёрдого материала
«Алмакрем»
« Diamosil ».
«Алмакрем» это сверхтвёрдый термически стабильный материал на основе алмаза
и карбида кремния аналогичный материалу Syndax 3 созданному De Beers Diamond
Research Laboratory в Йоханнесбурге, P.N. Tomlinson, N.J. Pipkin, A. Lammer, R.P.
Burnand (1). Syndax 3 изготавливают с применением техники высокого давления и
температуры с обеспечением условий имеющих место при синтезе алмаза и производстве
поликристаллических алмазных материалов. В случае Syndax 3 имеет место процесс
спекания алмазных частиц размером 15-30мкм в присутствии порошка кремния в
количестве 10%.
При изготовлении материала «Алмакрем» зерна алмаза размером 40-20 мкм
покрываются слоем кремния с обеспечением процентного содержание кремния на
поверхности алмазного зерна 9-10%. Покрытие производилось с применением
нанотехнологии , После покрытия алмазных частиц кремнием производится спекание
алмазного порошка на прессе высокого давления в условиях имеющих место при синтезе
алмаза и производстве поликристаллических алмазных материалов. В процессе спекания
порошка алмаза покрытого кремнием, углерод (алмаз) вступает в реакцию с кремнием с
образованием карбидокремниевой матрицы, которая прочно связывает частицы алмаза за
счет химических связей действующих между атомами углерода и кремния.
Для проведения исследований износостойкости из одной партии алмазного порошка
АМ 40-28 с размером зёрен 40-28 мкм были изготовлены образцы поликристаллического
алмазного материала «Алмакрем» и материала подобного Syndax 3 в виде цилиндров
диаметром 4 мм и высотой 4 мм.
Образцы материала подобного Syndax 3 были изготовлены по технологии De Beers
Diamond Research Laboratory с соотношением порошков алмаза и кремния равном 9:1 , но
автор не гарантирует точного соответствия полученного материала, материалу Syndax 3
производимому в De Beers Diamond Research Laboratory, так как не знаком с
особенностями технологии производства Syndax 3.
Испытания износостойкости материалов проводились в лабораторных условиях
двумя способами.
1. Истирание образцов материалов об алмазный шлифовальный круг.
2. Буровые испытания.
Истирание образцов об алмазный шлифовальный круг производилось на лабораторном
стенде представленном на Рис.1. Испытания всех образцов проводились при трении об
алмазный шлифовальный круг типа 12А245 по ГОСТ 16172-80. Круг был армирован
алмазами АС4 зернистостью 125/100 мкм. Эксперименты выполнялись на следующих
режимах:
Частота вращения вала двигателя -2800 об/мин;
Линейная скорость трения образцов о поверхность круга – 11 м/сек;
Сила прижатия образца к поверхности круга – 2 кг.
Время истирания образца – 90 сек.
Износостойкость материалов определялась в виде количества материала разрушенного в
процессе эксперимента. Для этого каждый образец взвешивался на аналитических весах до
и после истирания. Затем определялась износостойкость как масса материала которую
образец терял в единицу времени. Расчёт производился по формуле:
И = (M1-M2)/T
Где: И - износостойкость или масса материала разрушаемая за единицу времени
в процессе эксперимента, г/сек.
M1 – масса образца до эксперимента, г.
M2 – масса образца после эксперимента, г.
T - длительность экспериментального истирания образца, сек.
.
Результаты испытаний износостойкости образцов материалов представлены в
таблице №1.
Таблица 1
Износостойкость «Алмакрем» и других сверх твёрдых материалов
при истирании образцов об алмазный шлифовальный круг.
Параметры
Алмакрем Syndax 3
АРС-3
Эльбор
ВК 8
Плотность,г/см3
3,46
3,48
Износостойкость 9,17*10-6 1,87*10-5
9,6*10-5
9,1*10-4
6,75*10-3
исходного
материала, г/сек
Относительный
1
2,04
10,5
99,2
736
показатель
износостойкости,
раз
Износостойкость 6,94*10-6 2,53*10-5
Образцы
Не
Не
материала после
разрушаются испытывались испытывались
нагревания до
при
1200°С в
испытании
атмосфере
водорода, г/сек
Относительный
1
3,7
показатель
износостойкости
после нагрева,
раз
Количество
6
6
6
6
6
испытанных
образцов, шт
Лабораторные буровые испытания.
Для проведения буровых испытаний были изготовлены буровые коронки с наружным
диаметром 46 мм и внутренним диаметром 31 мм. Коронки были армированы алмазным
сырьём представленным в таблице №2.
Таблица №2
Характеристика алмазного сырья использованного для армирования
экспериментальных буровых коронок.
НаименоваФорма
ние
Характеристика алмазного сырья
алмазного
Размеры
алмазного
сырья
сырья
«Алмакрем» Поликристаллический алмазный материал на
цилиндр
Высота 4 мм
основе алмаза и карбида кремния.
диаметр 4 мм
АКПК 3.030 Опытный поликристаллический алмазный
материал на основе алмазного порошка 30
шлифпоро
мкм с добавлением 10 % порошка кремния.
шок
1600/1000мкм
Аналог Syndax3. Производитель «Институт
физики высоких давлений» (ИФВД) Россия г.
Троицк.
АКПМОпытный поликристаллический алмазный
1.020
материал на основе алмазного порошка 20
шлифпоро 1600/1000мкм
мкм Производитель «Институт физики
шок
высоких давлений» (ИФВД) Россия г.
Троицк.
Алмазы
Природные дроблёные алмазы по ГОСТ 9206- шлифпоро
50-30
XXXV гр.″ а″ 80 широко применяющиеся в буровых
шок
шт/карат
коронках
АРС 3
Синтетические поликристаллические алмазы
шлифпоро 1000/800 мкм
по ГОСТ 9206-80, широко применяющиеся в
шок
буровых коронках для горных пород средней
прочности.
ВСЕГЕИ
Природные алмазы из месторождения
шлифпоро
2000/1600
Архангельской области России
шок
мкм
Все экспериментальные коронки были изготовлены по стандартной технологии
производства алмазного бурового инструмента в графитовых пресс формах. Эта
технология включает:
-изготовление пресс формы из графита и корпуса коронки из стали,
-раскладка алмазов в пресс форме,
-засыпка порошка карбида вольфрама в пресс форму,
- установка корпуса коронки в пресс форму и уплотнение порошка карбида
вольфрама с помощью пресса,
-пропитка матрицы коронки сплавом меди 90% и никеля 10% при температуре
1150 °С в атмосфере водорода.
Экспериментальное бурение проводилось в лабораторных условиях буровым станком
СБА-500 при бурении блока гранита добытого в карьере п. Кузнечное, Ленинградской
области. Бурение производилось на следующих режимах, одинаковых для всех коронок:
-частота вращения коронки 710 об/мин,
-осевая нагрузка на коронку 500 кг,
-расход промывочной жидкости (воды) 19 л/мин.
В процессе экспериментального бурения фиксировалось:
- время бурения, сек.,
-проходка, м.,
-абсолютный износ алмазов, мм.
Износ алмазов измерялся специальным прибором «ПИК» разработанным и
изготовленным автором (2). Этот прибор обеспечивает определение износа алмазов или
матрицы алмазных буровых коронок диаметром 46,59,76 мм, изготовленных по
стандартам России. Конструкция прибора обеспечивает возможность выполнения
измерений по всей площади торца коронки с шагом 0,5 мм по диаметру и обеспечивает
точность измерения износа алмазов 10 мкм. Прибор «ПИК» представлен на рисунках № 2
и 3. Измерения производились на рабочем торце алмазных коронок в точках
расположенных на диаметре 39 мм.
Результаты экспериментального бурения представлены в таблице №3
Таблица № 3.
Результаты бурения экпериментальными коронками
Наименова- Проходка, м.
Время
Абсолютный
Удельный
Скорость
ние
бурения, сек
износ
износ
бурения
алмазного
алмазов, мм
алмазов,
см/мин
сырья
мм/м
Алмакрем
2,46
694
0,45
0,18
21,7
АКПК 3.030
0,12
600
0,05
0,42
1,2
АКПМ-1.020
Алмазы
XXXV гр.″ а″
АРС 3
ВСЕГЕИ
0,77
0,33
353
120
0,16
0,25
0,21
0,76
13,1
1,65
0,17
0,86
100
600
0,16
0,65
0,94
0,76
1,7
8,6
Выводы.
Результаты экспериментальных исследований показывают что:
1. Материал «Алмакрем» превосходит существующие сверхтвёрдые материалы по
износостойкости и работоспособности в буровом инструменте более чем в 2 раза.
2. После нагрева до 1200˚С материал «Алмакрем» стал прочнее исходного на 25%.
Список литературы:
1. P.N. Tomlinson, N.J. Pipkin, A. Lammer, R.P. Burnand. «High performans drilling
Syndax 3 shows versatility». Industrial Diamond Review 6/85.
2. Быченков Е.И. Федотков Г.Г. «Устройство для измерения износа буровой коронки»
Авторское свидетельство СССР № 1370436