Термический износ и удаление кобальта из PDC

I. Термический износ и удаление кобальта из PDC.

В процессе высокотемпературного спекания PDC кобальт выступает в качестве катализатора, способствуя прямому соединению алмазов и матрице из карбида вольфрама, в результате чего получаются режущие зубья из PDC, пригодные для геологического бурения в нефтепромыслах, обладающие высокой прочностью и превосходной износостойкостью.

Термостойкость алмазов довольно ограничена. При атмосферном давлении поверхность алмаза может деформироваться при температурах около 900℃ и выше. В процессе эксплуатации традиционные алмазные покрытия, как правило, разрушаются при температуре около 750℃. При бурении твердых и абразивных горных пород алмазные покрытия легко достигают этой температуры из-за тепла трения, а мгновенная температура (т.е. локальная температура на микроскопическом уровне) может быть еще выше, значительно превышая температуру плавления кобальта (1495°C).

По сравнению с чистым алмазом, из-за присутствия кобальта алмаз превращается в графит при более низких температурах. В результате износ алмаза происходит из-за графитизации, вызванной локальным тепловыделением от трения. Кроме того, коэффициент теплового расширения кобальта намного выше, чем у алмаза, поэтому при нагреве связи между алмазными зернами могут нарушаться из-за расширения кобальта.

В 1983 году два исследователя провели обработку поверхности стандартных алмазных слоев PDC методом удаления алмазов, что значительно повысило производительность зубьев PDC. Однако это изобретение не получило должного внимания. Лишь после 2000 года, благодаря более глубокому пониманию алмазных слоев PDC, производители бурового оборудования начали применять эту технологию к зубьям PDC, используемым при бурении горных пород. Зубья, обработанные этим методом, подходят для работы в сильно абразивных породах со значительным термомеханическим износом и обычно называются «декобальтированными» зубьями.

Так называемый «декобальтовый» материал получают традиционным способом, аналогичным производству PDC, после чего поверхность алмазного слоя погружают в концентрированную кислоту для удаления кобальтовой фазы посредством кислотного травления. Глубина удаления кобальта может достигать около 200 микрон.

Было проведено испытание на износостойкость в условиях интенсивной эксплуатации двух идентичных зубьев из поликристаллического алмаза (один из которых подвергся обработке алмазным слоем с удалением кобальта). После резки 5000 м гранита было обнаружено, что скорость износа зубьев из поликристаллического алмаза без удаления кобальта начала резко возрастать. В отличие от них, зубья из поликристаллического алмаза с удалением кобальта сохраняли относительно стабильную скорость резания при резке примерно 15000 м породы.

2. Метод обнаружения PDC

Существует два метода обнаружения зубного налета, вызванного полидисперсными частицами (ПДК): разрушающий и неразрушающий контроль.

1. Разрушающие испытания

Эти испытания призваны максимально реалистично имитировать условия в скважине, чтобы оценить эффективность режущих зубьев в таких условиях. Двумя основными видами разрушающих испытаний являются испытания на износостойкость и испытания на ударопрочность.

(1) Испытание на износостойкость

Для проведения испытаний на износостойкость методом PDC используются три типа оборудования:

А. Вертикальный токарный станок (ВТС)

В ходе испытания сначала закрепляют долото из поликристаллического алмаза (PDC) на токарном станке VTL и помещают образец породы (обычно гранит) рядом с долотом. Затем вращают образец породы вокруг оси станка с определенной скоростью. Долото из PDC врезается в образец породы на определенную глубину. При использовании гранита для испытаний эта глубина резания обычно составляет менее 1 мм. Это испытание может быть как сухим, так и влажным. При «сухом испытании VTL» при прорезании породы долотом из PDC охлаждение не применяется; все выделяемое при трении тепло передается в PDC, ускоряя процесс графитизации алмаза. Этот метод испытания дает отличные результаты при оценке долот из PDC в условиях, требующих высокого давления бурения или высокой скорости вращения.

«Влажный VTL-тест» определяет срок службы PDC в условиях умеренного нагрева путем охлаждения зубьев PDC водой или воздухом во время испытания. Таким образом, основным источником износа в этом тесте является истирание образца породы, а не фактор нагрева.

B, горизонтальный токарный станок

Этот тест также проводится с использованием гранита, и принцип его проведения в основном тот же, что и VTL. Время проведения теста составляет всего несколько минут, а термический шок между гранитом и зубами из полидиметилцеллюлозы очень незначителен.

Параметры испытаний гранита, используемые поставщиками зубчатых передач PDC, могут различаться. Например, параметры испытаний, используемые компаниями Synthetic Corporation и DI Company в США, не совсем совпадают, но они используют один и тот же гранитный материал для своих испытаний — крупнозернистую или среднезернистую поликристаллическую магматическую породу с очень низкой пористостью и прочностью на сжатие 190 МПа.

C. Прибор для измерения коэффициента истирания

В заданных условиях алмазный слой PDC используется для заточки шлифовального круга из карбида кремния, а отношение скорости износа шлифовального круга к скорости износа PDC принимается за показатель износа PDC, который называется коэффициентом износа.

(2) Испытание на ударопрочность

Метод испытания на ударную вязкость включает установку алмазных зубцов PDC под углом 15-25 градусов, после чего с определенной высоты сбрасывается предмет, который вертикально ударяет по алмазному слою на зубцах PDC. Вес и высота падающего предмета указывают на уровень энергии удара, которому подвергается испытательный зубец, и этот уровень может постепенно увеличиваться до 100 джоулей. Каждый зубец может быть подвергнут удару 3-7 раз, пока испытание не станет невозможным. Как правило, на каждом уровне энергии тестируется не менее 10 образцов каждого типа зубцов. Поскольку сопротивление зубцов удару варьируется, результаты испытаний на каждом уровне энергии представляют собой среднюю площадь отслоения алмаза после удара для каждого зубца.

2. Неразрушающий контроль

Наиболее широко используемым методом неразрушающего контроля (помимо визуального и микроскопического осмотра) является ультразвуковое сканирование (Cscan).

Технология ультразвукового сканирования позволяет обнаруживать мелкие дефекты и определять их местоположение и размер. При проведении этого теста сначала поместите зуб PDC в резервуар с водой, а затем проведите сканирование с помощью ультразвукового зонда.

Данная статья перепечатана из «Международная сеть металлообработки«