Типы и классы породоразрушающих инструментов

Долота первого класса предназначены для малоабразивных горных пород, а долота второго класса для высоко абразивных пород. В горных породах средней абразивности классы долот конкурируют.

Горные породы могут чередоваться по твердости. Для таких интервалов бурения предназначены промежуточные типы долот. Например, долота первого класса М, С и Т относятся к основным типам, а долота МС и СТ - к промежуточным типам. Долота второго класса МЗ, СЗ, ТЗ, К и ОК относятся к основным типам, а долота МСЗ и ТКЗ - к промежуточным типам.

Материалы вооружения породоразрушающих инструментов

2.2.1. Твердый сплавявляется одним из самых распространенных материалов для вооружения и армирования рабочих элементов породоразрушающих инструментов. Основными компонентами твердого сплава являются карбид вольфрама (WC) и кобальт (Со). В табл. 2.3. приведены некоторые показатели механических свойств карбида вольфрама и кобальта по данным Г.С. Креймера.

Таблица 2.3

Показатели механических свойств карбида вольфрама и кобальта

Из табл. 2.3 видно, что компоненты твердого сплава имеют существенно разные механические свойства. Соответственно при изменении содержания компонент в сплаве меняются и его свойства. Например, для изготовления зубков используются твердые сплавы ВК4В, ВК8ВК и ВК11ВК и др. В шифре первые две буквы означают вольфрамо-кобальтовый, цифры - содержание кобальта в %, последние буквы отражают особенности сплава: В - повышенная вязкость, К - повышенная стойкость при ударных нагрузках.

Микротвердость материала твердосалавных зубков составляет 14000…16000 МПа, а прочность на изгиб не менее 1750 МПа.

Для армирования поверхностей наплавкой используются релит "З" зерновой при нагреве токами высокой частоты и релит "ТЗ" трубчатозерновой при нагреве ацетилено-кислородным пламенем. Основной частью релита также является порошкообразный карбид вольфрама. Зерновые сплавы представляют собой шихту, при расплавлении и последующем твердении которой на поверхности армируемой детали или инструмента образуется твердый износостойкий слой.

2.2.2. Алмаз как материал для изготовления вооружения долот.Алмаз - минерал, полиморфная модификация углерода. Кристаллы алмаза представляют собой октаэдры, ромбододекаэдры и др. Размеры кристаллов от микроскопических до весьма крупных, массой до 3000 карат (1 карат - 0,2 г). Кристаллическая структура атомная, отличается плотной упаковкой и равномерным распределением связей в пространстве. Это обусловливает высокую плотность (3500 кг/м³), твердость и жесткость алмаза. Микротвердость алмаза в 10 раз выше, чем кварца, и в 6 раз выше, чем твердого сплава. Модуль Юнга алмаза 88×10⁴ МПа, т.е. в два раза выше, чем у твердого сплава, и четыре раза выше, чем у стали. Алмазы имеют уникально высокие теплофизические свойства: теплопроводность алмаза в 2,3 раза, а теплоемкость в три раза выше, чем у твердого сплава. Благодаря этим свойствам алмазы имеют исключительно высокую износостойкость при трении скольжения.

Наряду с достоинствами алмаз имеет и недостатки: он весьма хрупок (имеет совершенную спайность по октаэдру), при температуре 1850 °С в вакууме алмаз превращается в графит, на воздухе уже при температуре около

600 °С быстро окисляется, а при более высокой температуре сгорает с образованием углекислого газа.

Алмазы делятся на две группы: ювелирные и технические. Для бурения используют только технические алмазы, которые делятся на подгруппы: борт, баллас и карбонадо.

Борт - алмазы в виде неправильных кристаллов и агрегатов желтого, коричневого или серого цвета.

Баллас - шаровидные агрегаты, представляющие собой крупнокристаллическое ядро, покрытое мелкокристаллической корочкой. Цвет от мутно-белого до серого.

Карбонадо - плотные, мелкокристаллические агрегаты. Цвет от серого до черного.

Современная промышленность освоила производство искусственных (синтетических) алмазов, а также композиционных сверхтвердых материалов, которые используются для изготовления элементов вооружения породоразрушающих инструментов. Элементы вооружения могут представлять собой как специально подготовленные алмазные зерна, так и изготовленные пластинки, резцы и зубки.

Следует отметить, что прочность на сжатие синтетических алмазов пока в два раза меньше, чем натуральных (естественных). А поэтому их использование ограничивается сверху горными породами средней твердости.

2.2.3. Сверхтвердый композиционный материал "Славутич" включает в качестве основных частей карбид вольфрама и синтетические алмазы в виде зерен размером от 0,2 до 1 мм и изготавливается методами порошковой металлургии. Алмазные зерна равномерно распределены в объеме материала. Содержание алмазных зерен в композиции и их фракционный состав меняются в зависимости от назначения.

Элементы вооружения готовятся в виде зубков со стальным корпусом и рабочей головкой из материала "Славутич". Головка может иметь клиновую или сферическую рабочую поверхность. Для армирования калибрующих поверхностей породоразрушающих инструментов готовятся цилиндрические вставки.

Тема 3