Алмазно-твердосплавная пластина



Алмазно-твердосплавная пластина
Алмазно-твердосплавная пластина
Алмазно-твердосплавная пластина
Алмазно-твердосплавная пластина
Алмазно-твердосплавная пластина
Алмазно-твердосплавная пластина
Алмазно-твердосплавная пластина

 


Владельцы патента RU 2541241:

Ашкинази Евгений Евсеевич (RU)
Ральченко Виктор Григорьевич (RU)
Соколов Александр Николаевич (UA)
Закора Анатолий Петрович (UA)
Конов Виталий Иванович (RU)
Шульженко Александр Александрович (UA)
Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины (UA)
Новиков Николай Васильевич (UA)
Богданов Роберт Константинович (UA)
Осипов Александр Сергеевич (UA)
Гаргин Владислав Герасимович (UA)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им.А.М.Прохорова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к получению керамических материалов. Алмазно-твердосплавная пластина выполнена в виде твердосплавной пластины с расположенным на ней алмазным слоем. Алмазный слой выполнен из спеченной смеси алмазного микропорошка и активирующей добавки с расположенными в нем на расстоянии 0-0,25 D от диаметральной плоскости пластины зубками из CVD-алмаза толщиной 0,1-0,7 мм и высотой 0,5-1,0 мм, где D - диаметр пластины. Расстояние между зубками из CVD-алмаза может составлять 0,1-0,3 диаметра пластины. Зубки могут быть выполнены в виде сплошной пластинки или из отдельных частиц CVD-алмаза. Зубки могут быть выполнены из CVD-алмаза, структура которого не содержит аморфизованных sp2 конфигураций углерода, или из черного поликристаллического CVD-алмаза, или из монокристаллического CVD-алмаза. Обеспечивается повышение износостойкости пластины. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области получения керамических материалов, а именно алмазно-твердосплавных пластин, и может быть использовано при спекании слоевых неразъемных соединений твердосплавная подложка - алмазный поликристалл в условиях высоких давления и температуры.

Алмазно-твердосплавная пластина (АТП) состоит из поликристаллического алмазного слоя и подложки из твердого сплава, изготовленных полностью в условиях высокого давления и температуры (патент США № 4255165, B24D 3/06, опубл. 1981, патент США № 4403015, МКИ B22F 3/4, опубл. 06.09.83). АТП могут быть изготовлены также по 2-х стадийной технологии спекания - отдельно алмазный поликристаллический слой и твердосплавная подложка с последующим их соединением (патент США 7866418В2, кл. Е21В 10/36, Е21В 10/46, опубл. 11.2011) и т. п.

Поверхность соединения может быть плоской или изогнутой (криволинейной) с выступами типа трапеции, треугольника, синусоиды и т.п. (патент США № 6892836, кл. Е21В 10/36, опубл. 17.05.2005, патент США 7377341, кл. Е21В 10/26, опубл. 27.05.2008; патент США 5494477, кл. Е21В 10/46, опубл 27.02.1996).

АТП используются для оснащения долот для бурения скважин, резцов для бурения шпуров в угольной промышленности, коронок для геологоразведочного бурения и т. п.

Применение АТП эффективно при бурении скважин в породах с упругопластичными свойствами (IV-VII категорий буримости). По сравнению с твердосплавным инструментом при использовании АТП скорость бурения возрастает в 1,5 раза, а стойкость в 5-15 раз.

Механизм работы алмазного резца в слабопластичной породе существенно отличается от механизма работы алмазного породоразрушающего инструмента.

При внедрении резца в высокопластичную породу сколы не образуются. Сначала идут упругие, а затем остаточные пластические деформации. Глубина и ширина разрушающейся зоны совпадает с глубиной и шириной внедряемого алмазного резца. Обособленные путем смещения частицы пластичных пород из-за малой внутренней энергии при сжатии уплотняются и образуют наросты. В связи с образованием нароста и трением породы по породе увеличивается сила трения, также увеличивается на торцевой и боковых поверхностях резца через упругие деформации и упругое восстановление поверхности резания. Площадь контакта увеличивается с накоплением породы перед алмазным резцом. Для предотвращения влияния накапливаемой породы на корпус торца коронки и предупреждения прижигания необходим больший выступ резца. Величина выступа примерно в 15-25 раз должна превышать расчетную величину съема на резец.

Больше проявляется различие в физической природе сил, действующих на торцевую и переднюю поверхности алмазного резца. Разрушение породы путем смещения осуществляется только его передней поверхностью. Вместо попеременного дробления и скалывания в отдельных точках контакта режущей кромки с породой при резке с большим съемом высокопластичной породы действует постоянная нагрузка. Тангенциальная нагрузка увеличивается, стабилизируется и сохраняется примерно на одном уровне и получает незначительные колебания при вибрации. В результате снижается угроза скалывания резца. В связи с пониженной жесткостью отдельных частиц породы снижается интенсивность микроскалывания по режущей кромке. Резец начинает изнашиваться в основном за счет трения.

Режущая кромка "традиционной" пластины АТП в процессе работы притупляется, энергоемкость разрушения горной породы постепенно увеличивается, так как увеличивается площадь контакта с забоем горной породы. При этом существенно падает механическая скорость бурения. Для поддержания постоянной механической скорости бурения необходимо более интенсивно повышать осевую нагрузку на резец АТП, что в свою очередь увеличивает износ пластины АТП. Обычно пластины АТП размещают в буровом инструменте под отрицательным углом резания 15-20°. Соответственно высота выступа режущей кромки пластины АТП над корпусом бурового инструмента (или его лопасти) в основном будет зависеть от высоты твердосплавной подложки. Как показывает практика использования бурового инструмента, оснащенного АТП, его отработку ведут до полного износа выступающей над корпусом инструмента части АТП с твердосплавной подложкой. Пластина АТП при этом изнашивается на 1/3 диаметра. При этом износ отдельных пластин АТП полностью повторяет контур износа рабочей поверхности бурового инструмента.

Для уменьшения износа режущей кромки увеличивают ее высоту (патент США № 5494477, кл. Е21В 10/46, опубл. 27.02.1996; А. с. СРСР № 1803518, кл. Е21В 10/46, опубл. 23.03.93. Бюл. № 11), повышают ее термостабильность (патент США № 7842111, кл. B24D 3/02 10/00, опубл. 30.11.2010), для бурения крепких и трещиноватых пород на поверхность АТП наносят демпфирующее двухслойное покрытие (патент России № 2066729, кл. Е21 В10/46, опубл. 20.09.1996).

Кроме того, для повышения износостойкости пластины алмазный слой, как один из вариантов, можно создавать из смеси, содержащей 75-85% прочных зерен (А. с. СССР 1425984, кл. B24D 3/06, B22F 3/10, опубл. 14.01.87); алмазный слой или его часть содержит отдельные твердые поликристаллические агрегаты, которые распределены в его объеме (US Patent Application 20080073126, Е21В 10/46, BOU 3/06, COIB 31/06, опубл. 27.03.2008), или содержит термостабильные твердые области (US Patent Application 20110056142, Е21В 10/36, опубл. 30.11.2006). В техническом решении US Patent Application 20060266558, B24D 11/00, опубл. 10.03.2011) для этой цели в алмазный слой вводят предварительно спеченные алмазно-твердосплавные гранулы. Такая гранула состоит из монокристалла алмаза размером ≈800 мкм, расположенного в центральной ее части, вокруг которого расположено 20-30 зерен размером 300-400 мкм.

Указанные технические решения в некоторой степени уменьшают износ, но это не приводит к значительному повышению скорости бурения.

Наиболее близкой по технической сути предложенной алмазно-твердосплавной пластине есть АТП (патент США 7585342 В2, кл. С09К 3/14, D24D 3/02, 08.09.2009), на алмазном слое которой выполнены пазы (углубления) в виде квадратной, пятиугольной и т.д. сетки, в результате чего структурные элементы алмазного слоя приобретают зубообразную форму и будучи направленными в область снимаемой породы каждый из них становится режущим элементом. Такие структурные элементы принято называть зубками. Как известно, термином "зубок" обозначают режущий зубец, наконечник и т. п. машины или инструмента (Ефремова Т.Ф. Новый толково-словообразовательный словарь русского языка. - М.: Русский язык, 2000. - 1233 с). Следовательно, зубок - это инструмент, представляющий собой разновидность резца - режущего инструмента, предназначенного для обработки материалов, например породы.

Техническое решение, предложенное в прототипе, позволяет улучшить породоразрушающую эффективность пластины и увеличить соответственно скорость долота, коронки и т.п. при бурении крепких пластов.

Недостатком полученных согласно прототипу АТП является их недостаточная износостойкость при оснащении такими пластинами породоразрушающего инструмента, работающего в условиях интенсивного абразивного износа. Кроме того, при работе инструмента верхняя часть такого зуба изнашивается быстрее впадины и режущая (рабочая) поверхность пластины становится плоской. Это приводит к снижению скорости съема горной породы.

В основу изобретения положена задача такого усовершенствования АТП, при котором благодаря выбору компонентов алмазного слоя с различной твердостью и трещиностойкостью и их расположению после спекания обеспечивается повышение ее износостойкости и скорости бурения.

Задача решается тем, что в предлагаемом изобретении на получение АТП алмазно-твердосплавная пластина выполнена в виде твердосплавной пластины с расположенным на ней алмазным слоем, она отличается тем, что алмазный слой выполнен из спеченной смеси алмазного микропорошка и активирующей добавки с расположенными в нем на расстоянии 0-0,25 D от диаметральной плоскости пластины зубками из CVD-алмаза толщиной в 0,1-0,7 мм и высотой 0,5-1,0 мм, где D - диаметр пластины.

Предпочтительным является такое расположение зубков из CVD-алмаза в алмазном слое, когда расстояние между ними составляет 0,1-0,3 диаметра пластины.

Как вариант реализации изобретения, зубки из CVD-алмаза могут представлять собой как сплошную пластинку, так и могут состоять из отдельных частиц CVD-алмаза.

Предпочтительным является использование зубков из CVD-алмаза, структура которого не содержит sp2 фаз углерода.

В качестве материала зубков возможно использование CVD-алмаза различного кристаллического строения. Положительный эффект достигается как при варианте изготовления пластины с использованием черного поликристаллического CVD-алмаза (black diamond), так и в варианте изготовления пластины с использованием монокристаллического CVD-алмаза (SC-CVD).

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков заявляемого изобретения и техническими результатами, которые достигаются при реализации, заключается в следующем.

Износостойкость материала определяется прямыми испытаниями - трудоемкими и дорогими, но ее можно прогнозировать на основе физико-механических характеристик. Сравнение экспериментальных и рассчитанных по формуле (S - параметр износостойкости; Hv - твердость материала; K1c - трещиностойкость) данных по износостойкости не дает сомнения в их корреляции между собой (Майстренко А. Л., Дуб С.Н. Прогнозирование износостойкости хрупких материалов по твердости и трещиностойкости // Заводская лаборатория. - 1991. - 57. - № 2. - С. 52-54).

Твердость алмазного слоя АТП, созданных в ИСМ и В. Н. Бакуля, составляет 50 ГПа, а трещиностойкость 11,7±1,4 МПа-м1/2 (Гаргин В. Г. Физико-механические свойства алмазно-твердосплавных пластин // Поликристаллические материалы на основе синтетического алмаза и кубических нитрид бора. - К.: ИСМ АН УССР, 1990. - С. 62-67), пластин "Stratapax" производства фирмы General Electric - 50-63 ГПа (Stratapax drill blanks. Open a new world of mining. Specialty material department. General electric company. Worthington. OHJO43085), пластин "Sindrill" производства фирмы De Beers - 50 ГПа (Latest Product Sindrill De-Beers Synthetic Polycrystalline Diamond Drill Blank. - Indiagua, 1983. - P. 43-44).

В настоящее время многие фирмы выращивают из газовой фазы различные CVD-алмазы: "светлые", которые используются в основном в электронике, и "черные" (Black Diamond), которые применяются как инструментальный материал. Фирма "Elément Six" выпускает "черные" алмазы нескольких марок, например марки CDD, не содержащей графит. Одна из китайских фирм выпускает для технической цели "черные" CVD-алмазы, содержащие графит, и предлагает изготовлять из них правящий и режущий инструменты.

Согласно данным фирмы "Diamond Materials Gmbh" (http://www.diamond-materials.com/DE/cvd_diamond/overview.htm) твердость CVD-алмазов достигает ПО ГПа. В заявке на выдачу патента США № 10/889169 приведены данные по твердости CVD-алмазов, которая составляет 50-90 ГПа, и трещиностойкости 11-20 МПа·м1/2.

При термообработке при высоком давлении (р = 5 ГПа, Τ = 1800-2500 К), твердость монокристалла CVD-алмаза достигает 160-180 ГПа (Pat. Appl. 20030230232 US. IPC С 23 С 016/27; с 30 D 021 / 02; С30 D 028/06; С 23 С 016/00. Method of making enhanced CVD-diamond / RH Frushou, W. Li; Appl. 18.12.03).

После баротермической обработки при меньшей температуре (1570 К) и давлении 8 ГПа в процессе получения гибридного ультратвердого композиционного материала твердость поликристаллического CVD-алмаза повышалась на 80% (Шульженко Α. Α., Ашкинази Ε. Е., Соколов А. Н. и др. Новый гибридные ультратвердый материал // Сверхтв. материалы. - 2010. - №5.-С. 3-14).

Монокристаллы CVD-алмаза (SC-CVD) после отжига при давлениях 5-7 ГПа и температурах 2000-2700 °С имеют твердость 100-160 ГПа и трещиностойкость до 40 МПа·м1/2 (патент США 2389833, кл. С30В 25/00. Опубл. 27 октября 2008).

Таким образом определенные значения параметра износостойкости по формуле для алмазного слоя АТП (Ηv=50 ГПа, Klc=11,7+1,4 МПа·м1/2 ) составят 45-51 условных единиц. В то же время поликристаллический CVD-алмаз (Hv=100-160 ГПа, К=11-20 МПа·м1/2) имеет параметр износостойкости - 57-96, а монокристаллический (Ηv=160 ГПа, К=30-40 МПа·м1/2) - 162-200, т. е. зубки из CVD-алмаза, расположенные в гнездах алмазного слоя, имеют значительно больший (примерно в 4 раза) параметр износостойкости.

В связи с тем что породоразрушающий элемент состоит из двух различных по твердости (износостойкости) материалов (алмазоносного слоя АТП и находящегося в нем CVD-алмаза), в процессе бурения он будет работать как резец режуще-стирающего типа в отличие от режущего характера работы "традиционного" резца АТП. Режущая кромка заявляемого породоразрушающего элемента оснащена более жесткими, чем алмазоносный слой АТП, элементами из CVD-алмаза. Менее жесткий алмазоносный слой АТП (-50 ГПа), окружающий элементы из CVD-алмаза (≈100-160 ГПа), будет изнашиваться в процессе бурения быстрее, чем элементы из CVD-алмаза, постепенно обнажая их вершины. Элементы из CVD-алмаза, в свою очередь, постепенно, в процессе работы изнашиваясь и "самозатачиваясь", будут выступать над алмазоносным слоем режущей кромки АТП, образуя на ней профиль в виде гребенки. В свою очередь профиль АТП в виде гребенки при работе бурового инструмента по породам средней крепости и крепким будет создавать "мини-целики", которые при существующей вибрации будут скалываться без дополнительных усилий, снижая при этом энергоемкость инструмента в целом. Кроме того, под действием осевого усилия профиль АТП в виде гребенки будет создавать в массиве буримой породы более развитую, чем при работе традиционной АТП зону предразрушения, существенно снижая энергоемкость процесса разрушения и повышая скорость бурения. Предразрушение породы должно сопровождать процесс бурения в течение всего периода работы инструмента до полного износа выступающей над поверхностью корпуса части заявляемого породоразрушающего элемента. Предполагается, что при этом механическая скорость бурения таким инструментом не будет претерпевать значительные изменения.

Особенно актуально применение заявляемого породоразрушающего элемента при бурении перемежающихся по твердости пород. Механизм разрушения указанных пород будет следующим. При проходке слоя мягкой или средней жесткости породы указанный породоразрушающий элемент в целом будет работать в режиме чистого резания. При внедрении его в более твердую породу будет вступать в работу CVD-алмаз на рабочей режущей кромке АТП. Помимо образования в массиве горной породы дополнительной зоны предразрушения, элемент из CVD-алмаза будет защищать режущую кромку породоразрушающего элемента от ее катастрофического износа.

При формировании породоразрушающего элемента (АТП) согласно формуле изобретения алмазный слой выполнен из спеченной смеси алмазного микропорошка и активирующей добавки с расположенными в нем на расстоянии 0-0,25 D от диаметральной плоскости пластины зубками из CVD-алмаза. Опыт использования АТП в породоразрушающем инструменте показывает, что пластина изнашивается на 1/3 диаметра. Поэтому расположение зубков CVD-алмаза на плоскости больше половины диаметра нецелесообразно.

Зубки CVD-алмаза согласно формуле изобретения имеют толщину 0,1-0,7 мм и высоту 0,5-1,0 мм. Нижний предел толщины зубков из CVD-алмаза ограничивается условием сохранения гребенчатого профиля пластины, т. е. не должно быть преждевременное уменьшение толщины зубка. Верхний предел толщины зубков CVD-алмаза ограничивается условием создаваемых углублений между зубками.

Наибольший эффект достигается, когда зубки CVD-алмаза расположены в гнездах, расстояние между которыми составляет 0,1-0,3 диаметра пластины. При этом нижнее значение размера расстояния относится к АТП диаметром 16-20 мм, а верхнее - к пластинам диаметром 9-16 мм. Обусловлено это тем, чтобы режущая кромка, в процессе работы постепенно изнашиваясь, сохраняла профиль в виде гребенки. Кроме того, расположение зубков CVD-алмаза в алмазном слое на таком расстоянии между собой повышает твердость CVD-алмаза за счет деформационного пластического упрочнения при его обжиме. Это связано с увеличением концентрации структурных дефектов в этом материале. Последнее подтверждается тем, что после спекания ширина алмазной линии CVD-алмаза в спектре комбинационного рассеяния света увеличивается (снимали на установке LABRAM HR).

Поликристаллический CVD-алмаз получают в виде пластин диаметром 100-300 мм. После порезки таких пластин остаются нестандартного размера обрезки, которые обычно идут в отходы. Однако эти нестандартные обрезки могут быть использованы при изготовлении АТП. Поэтому в алмазном слое зубки могут представлять собой как сплошную пластинку, так и могут состоять из отдельных частиц CVD-алмаза.

В качестве материала зубков могут использоваться "черные" поликристаллические CVD-алмазы, CVD-алмазы, структура которых не содержит аморфизованных sp фаз карбона; монокристаллические CVD-алмазы (SC-CVD), а также CVD-алмазы (светлые), используемые в электронике. Объясняется это тем, что когда АТП используются для оснащения породоразрушающего инструмента для работы в мягких (пластичных) породах, то зубки изготавливаются из "черных" более дешевых CVD-алмазов. При бурении средних пород зубки выполняются с более высокими физико-механическими свойствами (твердостью и трещиностойкостью), обуславливающими высокую износостойкость, структура которых не содержит аморфизованных sp фаз карбона. Особенность применения таких CVD-алмазов заключается в увеличении более чем в два раза износостойкости после термической обработки (патент Украины на полезную модель № 71249, МПК С 04 В 38/00 "Способ получения износостойкого сверхтвердого материала". - Опубл. 10.07.2012, Бюл. № 13).

Для бурения перемежающихся и твердых пород в алмазном слое АТП располагаются зубки из монокристаллического CVD-алмаза (SC-CVD-алмаз) с твердостью до 160 ГПа.

Примеры конкретной реализации изобретения проиллюстрированы на чертежах (прилагаются), где на фиг. 1 показано снаряжение ячейки высокого давления перед спеканием, а на фиг. 2-6 - общий вид АТП после механической обработки, на фиг. 7 - вид режущей кромки после износа.

Пример

Для снаряжения ячейки высокого давления (фиг. 1) в контейнере из литографского камня 1 располагали трубчатый нагреватель 4 и экран 12 из тугоплавких металлов (тантала, ниобия и т.п.). В ограниченное трубчатым нагревателем пространство последовательно размещали теплоизолирующий диск 2, спрессованный из пирофиллита, и нагревательный диск из графита 3, а в ограниченное экраном пространство - твердосплавную пластину 5, спеченную из сплава ВК10-ВК20 и предварительно механически обработанную. На поверхность твердосплавной пластины засыпали алмазную смесь 6 определенной массы, в которой располагали зубки 7 из CVD-алмаза, и далее, при необходимости, пропитывающий диск 8 (при реализации варианта спекания с пропитывающим диском), спрессованный, например, из смеси кремния и графита, электроизолирующий диск 3, молибденовый диск 9, железный цилиндр 10 и втулку 11 из литографского камня.

В состав алмазной смеси входят микропорошки как синтетических, так и природных алмазов и их смеси. Повышение износостойкости алмазного композиционного поликристаллического материала достигается за счет оптимального выбора соотношения порошков природных и синтетических алмазов. Зерна микропорошков синтетических алмазов имеют более развитую поверхность. Их удельная поверхность почти в 1,5 раза больше чем у природных. Это способствует формированию связей алмаз-алмаз и повышению прочности материала.

Использование природных алмазов, имеющих более высокую абразивную способность, твердость и прочность, позволяет изготовить материал с повышенной износостойкостью.

Так, интенсивность изнашивания композита, спеченного из природного алмаза, более чем в 6 раз ниже, чем композита, спеченного из синтетических алмазов (Шульженко А. А, Ножкина А.В., Гаргин В. Г. и др. Сравнительные физико-механические характеристики микропорошков синтетического и природного алмаза и поликристаллического копозиционных материалов на их основе // Сверхтвердые материалы. - 2008. - № 5. - С. 7-15).

Что касается термостабильности природных и синтетических алмазов, то природные алмазы не содержат металлических примесей и поэтому практически не снижают своих физико-механических свойств до температуры 1400 °С. В то же время большинство порошков синтетических алмазов, которые выпускаются на территории СНГ, снижают свою прочность после отжига до 1000 °С.

Размер зерен микропорошков алмазов составляет 1-50 мкм. В зависимости от размера зерен алмазный слой имеет разную прочность. Так, если количество зерен в 1 карате алмазного порошка зернистостью 50/40 мкм составляет около 6,99-105 штук, то количество зерен в 1 карате порошка с размером зерен 14/10 мкм ориентировочно составляет 1,00-10 штук (Бакуль В. Н. Число зерен в одном карате - одна из важнейших характеристик алмазного порошка // Синтетические алмазы. - 1976. - № 4. - С. 22-27), т. е. в 15 раз больше. Это способствует увеличению в столько же раз количества контактов между зернами, образованию дополнительных связей алмаз-алмаз и увеличению прочности спеченного материала. Кроме того, удельная поверхность зерен синтетических алмазов размером 28/20 составляет 0,21 м /г, в то же время зерен синтетических алмазов размером 2/1 составляет 3,98 м /г, что практически в 20 раз больше (Богатырева Г. П., Гвяздовская В. Л. Удельная поверхность синтетических алмазов // Сверхтвердые материалы. -1986. - № 2. - С. 25-28), что также приводит к увеличению количества связей алмаз-алмаз и таким образом способствует повышению прочности полученного материала.

В алмазную смесь могут также добавляться нанопорошки алмазов с размером зерен от 100 нм до нескольких нанометров.

Засыпанную алмазную смесь разравнивали пуансоном с плоской торцевой поверхностью. С помощью формовочного шаблона, в котором изготовлены выступы по схеме расположения зубков CVD-алмаза в алмазном слое, в смеси выполняли углубления. В этих углублениях располагали зубки CVD-алмаза и закрывали диском из молибдена, далее последовательно размещали графитовый диск, электроизолирующий диск, спрессованный из графитоподобного нитрида бора, проводники электрического тока - молибденовый диск и железный цилиндр, втулку из литографского камня. В том случае когда зубки из CVD-алмаза расположены внутри алмазного слоя пластины (фиг. 2), после их помещения в углубления засыпают сверху слой алмазной смеси, разравнивая ее пуансоном.

Согласно формуле изобретения алмазный слой выполнен из спеченной смеси алмазного микропорошка и активирующей добавки с расположенными в нем на расстоянии 0-0,25 D от диаметральной плоскости пластины зубками из CVD-алмаза толщиной в 0,1-0,7 мм и высотой 0,5-1,0 мм, где D - диаметр пластины.

При формировании алмазного слоя АТП активирующая добавка, во-первых, за счет химического взаимодействия препятствует протеканию химических реакций с кислородом, которые ведут к образованию летучих оксидов и, как следствие, повышают пористость материала. Во-вторых, взаимодействуя с другими примесями (в частности, с графитом или аморфным углеродом) активирующая добавка существенно снижает их негативное влияние на физико-механические свойства материала, при этом также уменьшается количество пор.

Кроме того, активирующая добавка способствует снижению температуры начала пластической деформации на контактах зерен, что обеспечивает повышение прочности поликристаллического каркаса.

В качестве активирующей добавки могут использоваться порошки кремния и его соединений TiSi2, Co2Si, ZrSi2, CoSi2 и др.

При использовании методов крепления пластин в корпусе инструмента, не требующих высокой термостабильности АТП (использование механического крепления или пайки низкотемпературными (до 1000 К) припоями) используют активирующие добавки из ряда переходных металлов Периодической системы элементов, например Fe, Ni, Со, их сплавы и др.

При изготовлении АТП активирующая добавка может или входить в состав смеси с алмазным и порошками, или из порошков, составляющих активирующую добавку, изготавливают (прессуют) пропитывающие диски. При использовании активирующей добавки в виде пропитывающих дисков их располагали на алмазном слое после укладки зубков из CVD-алмаза или после разравнивания алмазной смеси пуансоном (в случае, когда зубки из CVD-алмаза расположены внутри алмазного слоя пластины). При температуре спекания пропитывающий диск плавится и пропитывает алмазный слой с расположенными в нем зубками из CVD-алмаза. В конечном итоге алмазный слой пластины представляет собой спеченную смесь алмазного микропорошка и активирующей добавки с расположенными в нем на расстоянии 0-0,25 D от диаметральной плоскости пластины зубками из CVD-алмаза.

Спекание выполняли в аппарате высокого давления типа "тороид" при давлении 4,0-9,0 ГПа, температура составляла 1350-1700 °С, продолжительность спекания - от нескольких до 600 с. Для АТП, которые используются для оснащения породоразрушающего инструмента, оптимальное время спекания составляет 20-40 с.

Таким способом были получены образцы АТП диаметром 15 мм и высотой 4 мм. После спекания была проведена механическая обработка спеченных образцов АТП, состоящей из твердосплавной пластины и алмазного слоя с зубками из CVD-алмаза.

В изготовленной согласно формуле изобретения АТП в алмазном слое сочетаются положительные свойства порошков алмаза и зубков CVD-алмаза. Это дает возможность использовать такой материал для оснащения породоразрушающего и других инструментов, работающих в условиях интенсивного абразивного износа и где необходимо обеспечить максимальную скорость бурения для снижения затрат на бурение скважин.

Как известно, спуско-подъемные операции (СПО) являются наиболее трудоемкими работами при бурении - затраты времени на указанную операцию увеличиваются почти в кубической зависимости от глубины скважины. Это объясняется тем, что на больших глубинах залегают более крепкие породы, углубление за рейс снижается в связи с ухудшением точности подачи снаряда; уменьшается скорость подъема в связи с увеличением веса снаряда. Кроме того, в глубоких скважинах СПО проводятся чаще в связи с более частыми авариями, необходимостью инклинометрическихи измерений, изоляции зон поглощений и т.д. Ограниченная протяженность керноприемной трубы, частое самозаклинивание керна при бурении трещиноватых пород вызывают необходимость изъятия всего бурового снаряда, несмотря на еще высокую разрушающую способность самого породоразрушающего инструмента.

Одним из существенных путей повышения скоростей сооружения геологоразведочных скважин, главным образом из-за уменьшения количества СПО бурового снаряда, является колонковое бурение снарядами со съемными керноприемниками (ССК), которые обеспечивают возможность извлечения керна через колонну бурильных труб без ее подъема на поверхность. Поскольку керн поднимается в керноприемниках на канате, необходимо обеспечить максимальную износостойкость породоразрушающего инструмента, чтобы как можно реже поднимать бурильную колонну для его замены. При этом производительность бурения в основном зависит от стойкости используемого породоразрушающего инструмента и механической скорости бурения.

Применение заявляемой АТП, алмазный слой которой включает зубки из CVD-алмаза, в породоразрушающем инструменте для снарядов со съемным керноприемником за счет его повышенной износостойкости позволяет увеличить стойкость породоразрушающего инструмента в целом и уменьшить затраты времени на вспомогательные операции в 2,0-2,5 раза в связи со значительным сокращением доли СПО в общем балансе времени сооружения скважины. Кроме того, за счет постоянного "самозатачивания" режущей кромки заявляемого элемента и поддержания высокой механической скорости бурения производительность бурения скважин повышается в 1,2-2,0 раза. Снижение частоты СПО приводит к существенному уменьшению количества операций свинчивания и развинчивания бурильной колонны, тем самым увеличивая срок службы всего комплекса ССК и снижая затраты на 1 погонный метр бурения.

Выше описаны предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретения, позволяющие понять его сущность, однако при этом возможны варианты, конкретно не приведенные в описании, которые могут быть реализованы без отклонения от сущности и объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

1. Алмазно-твердосплавная пластина, выполненная в виде твердосплавной пластины с расположенным на ней алмазным слоем, отличающаяся тем, что алмазный слой выполнен из спеченной смеси алмазного микропорошка и активирующей добавки с расположенными в нем на расстоянии 0-0,25 D от диаметральной плоскости пластины зубками из CVD-алмаза толщиной 0,1-0,7 мм и высотой 0,5-1,0 мм, где D - диаметр пластины.

2. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между зубками из CVD-алмаза составляет 0,1-0,3 диаметра пластины.

3. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что зубки представляют собой или сплошную пластинку или состоят из отдельных частиц CVD-алмаза.

4. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что зубки выполнены из CVD-алмаза, структура которого не содержит аморфизованных sp2 конфигураций углерода.

5. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что зубки выполнены из черного поликристаллического CVD-алмаза.

6. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что зубки выполнены из монокристаллического CVD-алмаза.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к производству декоративных бумажно-слоистых пластиков, которые могут быть использованы в качестве конструкционно-отделочных материалов при производстве мебели различного назначения, а также в других отраслях промышленности.
Изобретение относится к производству декоративных бумажно-слоистых пластиков, которые могут быть использованы в качестве конструкционно-отделочных материалов при производстве мебели различного назначения, а также в других отраслях промышленности.
Изобретение относится к производству декоративных бумажно-слоистых пластиков, которые могут быть использованы в качестве конструкционно-отделочных материалов при производстве мебели различного назначения, а также в других отраслях промышленности.
Изобретение относится к производству декоративных бумажно-слоистых пластиков, которые могут быть использованы в качестве конструкционно-отделочных материалов при производстве мебели различного назначения, а также в других отраслях промышленности.
Изобретение относится к производству декоративных бумажно-слоистых пластиков, которые могут быть использованы в качестве конструкционно-отделочных материалов при производстве мебели различного назначения, а также в других отраслях промышленности.

Изобретение относится к нефольговому упаковочному ламинату для асептического упаковывания жидкого продукта питания. Ламинат включает серединный слой бумаги или картона, лежащие крайними снаружи, непроницаемые для жидкости термосвариваемые слои из полиолефина и нанесенный на внутреннюю сторону слоя бумаги или картона непроницаемый для газообразного кислорода слой, образованный в результате нанесения жидкостного пленочного покрытия из жидкой газонепроницаемой композиции и последующего высушивания.

Изобретение относится к многослойным армированным виброшумодемпфирующим покрытиям (МАВШП), предназначенным для снижения структурного шума тонколистовых панелей кузова автотранспортных средств (АТС).

Изобретение относится к области производства алмазных инструментов, в частности к алмазным инструментам, содержащим корпус и алмазные зерна, расположенные на корпусе в один и более слоев и удерживаемые металлическим связующим материалом.

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при изготовлении керамических формованных частиц для абразивных изделий. Упомянутая керамическая частица имеет четыре основные поверхности, соединенные шестью общими кромками.

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано для определения режущей способности абразивно-алмазного инструмента с однослойным алмазно-гальваническим покрытием (АГП).
Изобретение относится к абразивному инструменту, содержащему плавленые зерна. Абразивные зерна имеют химический состав в мас.% на основе оксидов: Al2O3 остальное до 100%, ZrO2+HfO2 16-24%, MgO в таком количестве, что массовое соотношение (ZrO2+HfO2)/MgO составляет от 25 до 65, оксиды, отличные от Al2O3, ZrO2, HfO2 и MgO 0-2%.

Изобретение может быть использовано в производстве абразивных материалов. Абразивные частицы согласно изобретению представляют собой фасонные абразивные частицы с наклонной боковой стенкой.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при производстве абразивных инструментов и паст для шлифовки и полировки изделий из твердых материалов и лакокрасочных покрытий.
Изобретение относится к абразивной обработке материалов, в частности к составам шлифовальных материалов для удаления вторичной окалины, ржавчины, старой краски, грязи и т.д.
Изобретение относится к абразивной обработке материалов, в частности к составам шлифовальных материалов для удаления вторичной окалины, ржавчины, старой краски, грязи и т.д.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочнении абразивных кругов, работающих на повышенных скоростях, или при силовом шлифовании.

Изобретение относится к дроблению алмазов при изготовлении алмазного породоразрушающего инструмента. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в производстве тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, работающих в условиях градиента температуры и имеющих механические свойства, меняющиеся по сечению.
Наверх