Глава 2

АЛМАЗНЫЙ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

§ 1. Общие сведения об алмазном породоразрушающем инструменте и его конструктивных элементах

Конструктивно алмазный ПРИ любого вида состоит из трех основных частей: корпуса с присоединительной резьбой, матрицы или штабиков и резцов (рис. 2.1). Для циркуляции очистного агента в матрице и корпусе делаются специальные каналы.

Корпус алмазного ПРИ может иметь вид стандартного короночного кольца (рис. 2.1, а) или специальной заготовки цилиндрической формы со стандартной присоединительной резьбой (рис. 2.1, б).

Матрица, предназначенная для размещения и закрепления алмазных резцов (зерен) и имеющая определенную геометрическую форму, присоединяется к короночному кольцу припайкой или с помощью клея. В процессе бурения (разрушения породы на забое) матрица должна обеспечивать охлаждение и обнажение алмазных резцов по мере их износа.

6

5

5

Рис. 2.1. Алмазный породо- разрушающиП инструмент: в —алмазная коронка; б—алмазно* долото; 1 — корпус; 2 — матрица; 3 — подрезные алмазные резцы; 4 — торцевые резцы; 5 — циркуляционные каналы

Известно, что эффективное разрушение породы будет происходить только при внедрении алмазных резцов в нее на определенную глубину. При этом между торцом матрицы и плоскостью забоя должен оставаться некоторый зазор для циркуляции очистного агента, охлаждающего рабочую часть ПРИ и удаляющего продукты разрушения. Это обеспечивается определенным выходом (выпуском) алмазных резцов из тела матрицы, величина которого должна сохраняться постоянной по мере их износа. Поэтому износостойкость матрицы, зависящая от ее твердости и других факторов, должна соответствовать характеру проходимых пород. Слишком твердая матрица изнашивается медленно, зерна алмазов обнажаются мало, в связи с чем эффективность работы ПРИ снижается. При слишком мягкой матрице, наоборот, зерна интенсивно обнажаются и начинают выпадать из тела матрицы. Эффективность работы ПРИ также низка.

Матрицы алмазных ПРИ обладают различной заданной твердостью и износостойкостью. По этому признаку они делятся на пять типов: 1 —матрица очень мягкая, имеющая твердость 10—15 HRC (по Роквеллу, шкала С); 2 —матрица мягкая (15— 20 HRC); 3 — нормальная (20—25 HRC); 4 — твердая (30—35 HRC); 5 —очень твердая (50—55 HRC).

Серийно выпускаются ПРИ с матрицами трех типов: нормальной (3-й тип) для малоабразивных пород, твердой (4-й тип) для абразивных пород и очень твердой (5-й тип) для весьма абразивных горных пород. Здесь следует отметить, что износостойкость не всегда соответствует твердости матрицы. Достаточно твердая матрица может оказаться менее износостойкой, чем более мягкая. Но оценка матрицы по твердости наиболее проста и доступна.

Вооружение алмазного ПРИ. В качестве породоразрушающих элементов (резцов) используют природные (А) и синтетические (АС) алмазы или сверхтвердые материалы (СМ), обладающие буровыми свойствами, которые характеризуются режущей или аб

разивной способностью зерен, их стойкостью на истирание и прочностью (твердостью).

Критериями буровых свойств алмазных зерен являются: достигаемая величина углубки на коронку, механическая скорость бурения и удельный расход алмазов на 1 м пробуренной скважины. Эти свойства зависят от формы и размеров зерен, их физического состояния (наличия трещин, включений и сколов) и твердости.

Естественные алмазы. Для изготовления ПРИ применяются зерна алмазов в виде обломков или поврежденных кристаллов. Используются технические алмазы из Якутских месторождений типа «борт».

По размерам или крупности различают алмазные зерна и порошки, Размеры алмазных зерен оцениваются их количеством в одном карате (1 кар = 200 мг). По этому показателю алмазное сырье делится на большое количество групп с содержанием алмазных зерен от 2—3 до 400—800 шт/кар со средним условным диаметром от 3,65 до 0,72 мм. Алмазные порошки делятся на группы с зернистостью от 800—1200 до 2000—4500 зерен на 1 кар со средним условным диаметром от 0,57 до 0,36 мм.

Алмазы обладают самой высокой твердостью среди природных минералов. Микротвердость алмазных зерен колеблется от 95000 до 100000 МПа, что объясняется особой структурой их кристаллографической решетки и наличием ковалентной связи между атомами углерода, имеющими наиболее плотную упаковку в плоскостях, с которыми совпадают грани кристаллов.

Прочность алмазных кристаллов на сжатие в среднем 2000 МПа. Коэффициент линейного расширения невелик—(0,9-s-1,45) 10'⁵ градус'¹. Температура плавления около 4000° С.

В связи с высокой степенью твердости алмаз обладает очень хорошей износостойкостью, во много раз превышающей износостойкость известных абразивных материалов — карбида кремния, карбида бора и электрокорунда.

Под действием динамических на1рузок алмазы разрушаются быстрее, чем при действии статических. Наличие в зернах алмазов дефектов — трещин, включений — снижает их прочность в 1,2—1,9 раза. С целью улучшения буровых свойств низкосортных алмазов прибегают к их искусственной обработке путем придания округлой формы (овализации), а прочность их повышается за счет снятия внутренних напряжений в кристаллах, устранения острых ребер и углов.

Для улучшения буровых свойств прибегают также к полированию зерен алмазов. При обработке алмазов с гладкой поверхностью в твердых породах уменьшаются силы трения их о породу и соответственно уменьшается степень нагревания зерен алмазов, что повышает их работоспособность или буровые свойства. При этом поверхность зерен алмазов становится прозрачной, вследствие чего просматривается их внутренняя часть, что позволяет определять визуально некоторые дефекты алмазов и сортировать их по качеству. Полирование зерен алмазов может осуществляться механическим, химическим и газопламенным способами.

Специальная термообработка способствует повышению прочности алмазных зерен. При этом алмазы нагревают в специальных печах в восстановительной среде до температуры 920—940° С и затем медленно охлаждают. Этот процесс позволяет уменьшить или снять внутренние напряжения в кристаллах, возникающих при формировании алмазов в природных условиях- После термической обработки механическая прочность алмазов увеличивается в 1,5—1,8 раза. Такой же эффект возникает и при резком охлаждении, например, в жидком азоте, который имеет температуру -190° С, или при облучении алмазов малыми дозами электромагнитного излучения и другими физическими полями.

Буровые свойства алмазов повышаются еще и за счет их металлизации — покрытия поверхности кристаллов тонким слоем тугоплавкого металла, хорошо сцепляющегося с алмазом. Это обеспечивает более прочную связь зерен алмазов с матрицей ПРИ, а также приводит к «залечиванию» микротрещин в алмазах, выходящих на поверхность, что повышает их механическую прочность на 15% и стойкость на 15—25%. При изготовлении ПРИ в определенных случаях прибегают к гранулированию алмазных зерен. Этот процесс заключается в смачивании зерен алмазов клеящим веществом и покрытии их порошком твердого сплава. В результате образуются гранулы в виде шариков, внутри которых находятся алмазные зерна. Из таких гранул в специальных пресс-формах изготовляют алмазный породоразрушающий инструмент. Оболочка предохраняет алмазы от графитизации.

До 1975 г. все алмазное сырье в Советском Союзе классифицировалось в соответствии с техническими условиями МРТУ2-037-1-65 «Сырье алмазное». С 1991 г. приняты новые технические условия ТУ 47-12-88, по которым алмазы отечественные и импортные разделены на девять категорий по их виду и назначению. Каждая категория включает несколько групп (с I по XXXVI) и подгрупп («а», «б», «в», и т. д.). Кроме того, алмазное сырье делится еще и по качеству (1-го, 2-го, 3-го качества). Для изготовления ПРИ используют алмазное сырье четвертой, пятой и девятой категорий. Каждому сорту алмазного сырья в этом случае присвоен буквенный индекс: Б, В, Г и т. д., как это показано в табл. 2.1.

Синтетические алмазы могут быть моно- и поликрис- таллическими. Монокристаллические алмазы имеют такую же кристаллическую решетку, как и природные и такие же многие свойства. Отличаются они только по твердости, форме зерен и более шероховатой поверхности граней. Синтетические алмазы получают с заданными техническими свойствами по форме зерен, прочности и крупности: АСО —алмаз синтетический обычной прочности, АСР — алмаз синтетической повышенной прочности, АСВ — алмаз

Таблица 2.1

Обозна чение			Сортность алмазных зерен
сорта алмазов	Группа	Подгруппа	Качество	Прочие признаки
Б	XV	«а»	1	С незначительными дефектами
В	XV	«а»	2	С небольшими дефектами
Г	XV	«в»	3	С большими дефектами
д	XXXV	«а»	—	Дробленые
Е	XXXIV	«а»	1	Дефекты от незначительных до боль
К	XXXIV	«б»	2	ших То же
Л	XXXIV	«в»	3	»
II	XV	«б»	2	С небольшими дефектами
п	—	—	—	Подвергнутые полировке
р	—	—	—	Рекуперированные
т	XVI	«в»	1	С незначительными дефектами
У	XV	«б»	1	С незначительными дефектами
ц	XVI	«а»	1	Дефекты от незначительных до боль
X	XVI	«а»	2	ших
ш	XVI	«а»	3	То же

синтетический высокой прочности, АСК —алмаз синтетический кристаллический, АСС — алмаз сортированный, ACM, АСН-микро- порошки; АТП — композиционные алмазно-твердосплавные пластины типы Стратапакс.

Твердость АС колеблется в широких пределах, изменяясь на целый порядок. Различают АС и по другим свойствам.

В ряде случаев прочность синтетических алмазов может быть больше, чем прочность природных алмазов в 1,5—2,0 раза. Основная масса зерен АС имеет размер 0,2—0,4 мм; АСК и АСС —0,6 1,2 мм и более.

Синтетические поликристаллические алмазы АРК-4, АРВ-1 (ГОСТ 9206-80) или АСПК и АСБ соответственно получают из графита при синтезе в присутствии металлорастворителей. Они имеют вид цилиндров диаметром 2,3 и 4 мм, длиной до 4 мм. По динамической прочности АСПК в ряде случаев превосходит естественные алмазы. Недостатком АСПК является их графити- зация при температуре 950—1000° С. Синтетические алмазы по- ликристаллического строения АРС-3 (СВ, СВС или СВСП) имеют форму цилиндров размером 4x4 мм и обладают такой же термо- и износостойкостью, как и естественные алмазы.

Сверхтвердые материалы (без углерода), получаемые у нас и за рубежом, по некоторым свойствам близки к алмазам или имеют еще лучшие параметры. К числу таких материалов относятся кубический нитрид бора, славутич, твесал и др.

Кубический нитрид бора (КНБ) синтезируется из нитрида бора

BN при температуре 1500—1800° С и давлении 70000 МПа в виде кристаллов кубической формы размером от 0,25 до нескольких мм или в виде пластинок. Термостойкость такого материала лучше, чем у природного алмаза. Так, природный алмаз теряет рабочее качество уже при I = 700—800° С, а КНБ —только при t = 1300° С. Микротвердость КНБ 75000—90000 МПа. Различными организациями выпускаются разные типы КНБ: в Ленинграде — эльбор, белбор. В Киеве—кубонит, гексанит, в США (фирма «Дженерал электрик») — боразон.

Для бурового инструмента используется эльбор-Р в виде цилиндриков диаметром 3,8 мм и высотой 5 мм (ТУ2-036-6-70) с твердостью 60000—70000 МПа. Кубонит выпускается марок КО, КР и КН с разной формой зерен, с твердостью 92500 МПа. Славутич готовят путем спекания порошков твердого сплава с мелкими зернами алмазов зернистостью 160—800 шт/кар в виде штабиков или пластин заданной формы и размеров. Такой материал обладает высокой динамической прочностью и износостойкостью.