Алмазы и сверхтвердые материалы и их свойства

Алмаз представляет собой чистый углерод (то же, что и графит) отличающийся сверхплотной кристаллической решеткой, что и определяет его уникальную твердость. Кристаллы алмаза могут иметь разные формы – кубическая, октаэдры, ромбододекаэдры и другие. Кристаллы могут иметь не только прямые, но и округлые грани и тогда они называются гексоидроид, октаидроид и.т.д. В природе встречаются как монокристаллы, так и поликристалические образования. Выделяют 4 типа природных алмазов:

-- целые монокристаллы – обычно представляют большую ценность и используются для ювелирных целей,

-- балассы - тонкокристаллические поликристаллические образования округлой формы лучистого строения с более твердой и износостойкой чем сердцевина оболочкой,

-- карбонадо - черные или коричневые бразильские алмазы также поликристаллические овальной формы и также имеющие более твердую и износостойкую оболочку (карбонадо и балассы раньше за рубежом использовались в буровых коронках в качестве подрезных).

-- борт – технические алмазы небольшой величины (от 2 – 3 шт. на карат до 600 шт. на карат и мельче), представленные обломками и сростками кристаллов, дефектными кристаллами с трещинами, сколами, включениями и прочими дефектами. Именно алмазный борт идет на изготовление обрабатывающего инструмента и буровых коронок.

Синтетические алмазы представляют собой обычно мелкие монокристаллы и их сростки. Из наиболее мелких природных и синтетических алмазов можно создавать поликристаллические спеки размерами до 4 мм., но это уже относится к «сверхтвердым материалам».

8.5.2.1. Свойства технических алмазов и алмазные буровые коронки.

Рассмотрим свойства алмазов в последовательности важности каждого свойства для работы в алмазных буровых коронках.

1. + + + Твердость (сопротивление внедрению в поверхность данного материала) у алмаза самая большая из всех природных, да и синтетических материалов и равна 100 ГПа (100 кН/мм.кв.). Это в 5 раз выше, чем у следующего по твердости корунда, в 7 раз больше чем у твердого сплава ВК и в 10 раз больше чем у кварца.
2. + + + Износостойкость алмаза в 150 раз выше, чем у корунда и почти в 1000 раз выше, чем у кварца.
3. + + Химическая стойкость. Алмаз обладает почти уникальной химстойкостью, он не растворяется ни в каких кислотах, даже в «царской водке» (смеси серной и азотной кислот). Он может подвергаться воздействию лишь при повышенных температурах расплавов некоторых солей и щелочей (особенно в присутствии железа).
4. + + Теплопроводность. Алмаз имеет довольно высокую теплопроводность, что весьма полезно для работы алмазных резцов в буровых коронках. Теплопроводность алмаза в 2 – 5 раз выше, чем у твердого сплава, что в отличие от твердосплавных резцов, обеспечивает своевременный отвод тепла от режущей кромки резца независимо от скорости вращения буровой коронки (до 1500 – 3000 об/мин. в производственных условиях и до 40.000 об/мин. в эксперименте).
5. Прочность статическая (сопротивление кристалла или зерна от статической нагрузки сжатия или сдвига). По этому показателю алмаз уступает твердому сплаву примерно в 2 раза на сжатие (алмаз имеет от 2 до 9 ГПа, в среднем 3 ГПа) и в 3 – 4 раза слабее твердого сплав на изгиб – скол (у алмаза 0,2 – 0,5 ГПа). Невысокие значения прочности надо учитывать при выборе нагрузки на алмазные резцы.
6. -- Динамическая прочность еще больше проявляется слабость алмаза. Динамическая прочность алмаза в 4 раза меньше статической, что очевидно требует охранения алмазных резцов от динамических (ударных) нагрузок.
7. -- Анизотропность (разнотвердость, разноизносостойкость, разнопрочность по разным направлениям и граням зерна) Хотя анизотропность алмаза сравнительно невелика от 10 до 30%, но само это явление негативное и его надо учитывать при ориентированной установке алмазных резцов в коронке
8. -- -- Термостойкость – слабое место алмаза. На воздухе алмаз буквально сгорает при температуре 850 – 1000 С. При нагреве более 350С алмаз начинает постепенно терять свои уникальные свойства – твердость и износостойкость. Выдерживать высокие температуры, необходимые при изготовлении коронок, алмаз может в инертной среде при отсутствии кислорода (инертные газы, водород, вакуум, где он выдерживает до 1100 – 1400С).
9. Плотность Обычно 3,5, но в зависимости от пористости могут быть камни с плотностью от 2,9 до 3,56. Большого значения для буровых качеств плотность не имеет.

Предварительная обработка алмазного сырья.

Как отмечалось, для технических целей используются мелкие алмазные зерна имеющие

различные дефекты: трещины, наросты, сростки, включения, поры и.т.п. Если такие камни

применять в буровом инструменте без предварительной обработки, то они будут разрушаться на забое, а в процессе бурения и коронка быстро выйдет из строя. Только 4 – 6% добываемых бортов можно применять без обработки, а 95% необходимо обрабатывать.

Применяют следующие виды предварительной обработки алмазного сырья:

1 Избирательное дробление Трещиноватые камни раскалываются по трещинам на более мелкие, но уже без трещин и, следовательно, более прочные. (масса алмазных зерен разгоняется потоком воздуха и ударяется о чугунную плиту с определенной силой, чтобы трещиноватые камни раскалывались, а целые оставались)

2 Овализация. Камни с наростами, неправильной формы сростки, с выступающими удлиненными частями в коронках будут быстро разрушаться и разрушать другие резцы, поэтому алмазным резцам придают наиболее устойчивую наиболее прочную и износостойкую форму – овальную. Для этого зерна алмазов помещают во вращающийся барабан с жидкой средой, где они трутся друг о друга и приобретают овальную форму.

3 Полирование. И необработанные и овализованные природные алмазы имеют неровную или шероховатую поверхность, что снижает их прочность и за счет большего трения увеличивает износ. Для устранения мелких неровностей и шероховатости алмазные зерна полируют – применяется механическое, химическое или газопламенное полирование. При механическом полировании алмазные зерна вращают в барабане с суспензией алмазного порошка, наросты и шероховатость стираются, и поверхность зерен становится гладкой. Химическое полирование происходит в расплаве подогретых солей, газопламенное позволяет сжигать, как бы слизывать выступы и шероховатость. Кроме получения гладкой поверхности при полировании залечиваются микротрещины па поверхности зерен, что дополнительно повышает прочность и износостойкость алмазов.

4 Металлизация. Различными способами на поверхность алмазных зерен наносится тон -

чайший слой металла (обычно меди, входящей в состав матрицы коронки), Это позволяет повысить адгезию и прочно удерживать алмаз в матрице, он как бы припаивается.

5 Гранулирование. При использовании мелких алмазиков в импрегнированных корон- ках их необходимо равномерно разместить в объеме матрицы. При простом перемешивании алмазиков в порошке твердого сплава, образующего матрицу, алмазы могут оказаться размещенными неравномерно, и это снизит работоспособность коронки. Гранулирование заключается в том, что алмазные зернышки обмазывают клеем (который потом испарится) и смешивают с порошком матрицы, на алмазики налипают частицы порошка, получаются щарики-гранулы, внутри которых алмазное зерно. Весь объем алмазосодержащей части матрицы состоит из таких гранул, которые затем прессуются и пропитываются расплавом меди. Получается идеально равномерное размещение алмазов в матрице. Еще лучше двойное гранулирование, когда поверх порошка твердого сплав наносится слой порошка мельчайших алмазов.

Алмазные коронки.

Как уже указывалось, для алмазных буровых коронок применяют мелкие фракции алмазного сырья. Размеры алмазных зерен указываются либо в линейной величине в мкм., либо в зернистости в штуках на карат (шт./кар), т.е. сколько алмазных зерен приходится на один карат равный 0,2 грамма. Чем больше число зернистости, тем мельче алмазные зерна. В серийных алмазных коронках используются природные или синтетические алмазы с размерами зерен от 20 шт./кар. (примерно 2,0 мм.) до 600 шт./кар. (примерно 0,5 мм.) в некоторых типах коронок применяют значительно более мелкие алмазы до 2000 шт./кар. И даже алмазные порошки зернистостью до 10.000 – 12.000 шт./кар. (0,16 – 0,12 мм.) Соотношение зернистости и линейных размеров алмазных зерен приведены в табл. № 12 Таблица № 12

	Однослойные		Импрегнированные	Порошковые
Шт./кар.	10-20	20=30	40=60	60-90	90-120	200-400	400-600	1000-2000	10.000-12000
Dа,мкм.	3000- -2500	2500- -2000	2000- -1800	1600 – -1300	1000- -900	700 -600	600 -500		160 - 120

Алмазная коронка состоит из стального корпуса с резьбой и внутренней конической расточкой для кернорвательного кольца и приваренной (припаянной) в процессе изготовления алмазосодержащей матрицей. Матрица изготавливается из порошка твердого сплава ВК-6 или ВК-8, в котором размещаются зерна (резцы) алмазов и который пропитывается расплавленной медью (никелем). Расплавленная медь припаивает матрицу к корпусу. В зависимости от размеров алмазов и их размещения в матрице имеется три типа алмазных коронок: однослойные,многослойные и импрегнированные. Многослойные коронки раньше широко применялись, сейчас практически не применяются. Однослойные алмазные коронки предназначены для бурения в породах V11 – Х категорий по буримости, импрегнированные для пород Х – Х11.

Однослойные алмазные коронки (обозначаются буквой – А) оснащаются «объемными» алмазами размером от 1600 мкм. До 2500 мкм. (20 – 60 шт./кар.), размещенными в матрице по торцу и выступающие из матрицы на 0,1 – 0,3 от своего линейного размера. На наружной (а иногда и на внутренней) стороне матрицы размещаются «подрезные» алмазы обычно зернистостью 20 – 40 шт./кар. лучшего качества, обеспечивающие сохранение наружного диаметра коронки и соответственно диаметра скважины.

Многослойные коронки (буква - М) выпускались ранее, оснащались объемными алмазами зернистостью 40 – 90 шт./кар., один слой по торцу коронки, далее в глубине матрицы от двух до пяти слоев. Работает такая коронка по принципу самозатачивания – когда стирается один слой алмазов, стирается матрица и обнажаются рабочие грани следующего слоя алмазов. Сейчас практически не выпускаются, полностью заменены импрегнированными коронками.

Импрегнированные коронки (буква – И) оснащены мелкими алмазами от 90 – 120 шт./кар. до 600 шт./на кар. (серийные) и до 1200 и даже до 12000 шт./кар. (с мелкими фракциями алмазов и порошковые) Подрезные алмазы, как и в однослойных, хорошие и крупные. Объемные алмазы равномерно распределены внутри алмазосодержащего слоя матрицы высотою обычно 4 мм., иногда 6 мм., работают по принципу самозатачивания.

Кроме типа алмазные коронки различаются по целому ряду других признаков: конструкции коронки (форма торца матрицы, число и геометрия промывочных каналов, форма размещения алмазов и наличие их выступа из торца, качество и размер объемных и подрезных ал - алмазов, твердость матрицы и другие). Твердость матрицы имеет самостоятельное значение, поскольку скорость ее износа обеспечивает равномерность износа объемных (рабочих) алмазов, в однослойных коронках она должна изнашиваться чуть медленнее, чем алмаз, чтобы избежать выпадение алмазов из матрицы, в импрегнированных коронках матрица должна изнашиваться чуть быстрее алмаза, обеспечивая обнажение новых алмазов взамен полностью изношенных.

По твердости было предложено 5 вариантов матрицы. Табл. № 13. (твердость по Роквеллу НРС)

№ матрицы
Твердость НРС	10 - 15	15 - 20	20 - 25	30 - 35	50 - 55

Матрицы с 1 и 2 твердостью, оказались слишком слабые и практически не применяются.

Основной объем алмазных коронок выпускается с 3 и 4 твердостью матрицы и очень редко с 5 твердостью (один тип коронок -03И5).

Работоспособность алмазной коронки кроме типа Конструкции качества и зернистости алмазов зависит еще и от «насыщенности» ее алмазами, т.е. от количества алмазов в единице объема в 1 см.куб. матрицы. 100% насыщенности считается при 4,4 карата алмазов в 1 см.куб.

матрицы. Работоспособность коронки повышается, если удастся повысить насыщенность до 150 – 175 % не снижая прочности закрепления алмазов в матрице за счет повышения адгезии.

Общее количество алмазов в типичных алмазных коронках диаметром 46 – 76 мм. составляет от 4 до 20 карат, среднее 10 – 12 карат.

Алмазные коронки применяются в весьма различных по своим свойствам породам от У1 до Х11 категорий по буримости при различной абразивности и трещиноватости. Для каждой группы пород должна быть подобрана наиболее подходящая коронка по типу, конструкции, сорту и размера алмазов, по твердости матрицы. Чтобы это обеспечить имеется боле 50 вариантов только серийных коронок и еще столько же, разработанных другими отечественными организациями. От правильного выбора конкретной алмазной коронки для данных конкретных геологических условий во многом зависит эффективность – скорость углубки, проходка за рейс, износ алмазов, т.е. производительность и себестоимость. Правильный выбор алмазной коронки одна из наиболее важных задач технологии алмазного бурения.

Дата добавления: 2014-01-07