Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок
Results on studies the influence of grain monocarbide tungsten on the efficiency of diamond
 drill bits are given
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23404 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок // В.П. Бондаренко, А.М. Исонкин, Р.К. Богданов, А.А. Матвейчук // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 168-173. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860045618036080640 |
|---|---|
| author | Бондаренко, В.П. Исонкин, А.М. Богданов, Р.К. Матвейчук, А.А. |
| author_facet | Бондаренко, В.П. Исонкин, А.М. Богданов, Р.К. Матвейчук, А.А. |
| citation_txt | Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок // В.П. Бондаренко, А.М. Исонкин, Р.К. Богданов, А.А. Матвейчук // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 168-173. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | Results on studies the influence of grain monocarbide tungsten on the efficiency of diamond
drill bits are given
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:58:16Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
168
2. Вдовиченко А. І., Вітрик В. Г., Мартиненко І. І. Про доцільність буріння параметричної
свердловини для оцінки нафтогазоносного потенціалу Українського щита // Буріння. –
2009. – № 1. – С. 30 - 31.
3. Вітрик В.Г. Використання нових розробок та винаходів на бурових роботах // Буріння.
– 2009. – № 2. – С. 13 - 14.
4. Вдовиченко А. І., Мартиненко І. І. Впровадження новітніх технологій та підвищення
інформативності геологорозвідувального буріння // Буріння. – 2009. – № 2. – С. 9 – 12.
5. Бондаренко О. М., Богданов Р. К. Проблеми рекуперації алмазів із спрацьованого бу-
рового інструменту // Буріння. – 2009. № 2. С. 15 - 17.
6. Давиденко О. М., Каракозов А. А. Стан та перспективи вдосконалення системи
підготовки фахівців бурової справи // Буріння. – 2009. – № 2. – С. 39- 43.
7. Лукін О. Ю. Вуглеводневий потенціал надр України та основні напрямки його
освоєння // Буріння. – 2009. – № 4. – С. 24 -32.
8. Коваль А. М., Чепіль П. М. Про відновлення покладів нафти і газу в Україні // Буріння.
– 2009. № 4. С. 33 – 37.
9. Рябцев Г. Л. Информационные манипуляции и их влияние на развитие национальной
нефтегазодобычи // Буріння. – 2009. – № 4. – С. 38 – 40.
10. Сторожев Р. И. Роль реформирования газового рынка в развитии национвльной газодо-
бычи // Буріння. – 2009. – № 4. – С. 41 – 42.
11. Єрмаков П. П. Кризис. Власть бездействует. Путь движения Украины – прогрес или
тупик // Буріння. – 2009. – № 4. – С. 49 – 51.
Поступила 25.06.2010
УДК 622.24 (085). (477.62)
В. П. Бондаренко, член-корр. НАН Украины; А. М. Исонкин, Р. К. Богданов, кандидаты
технических наук; А. А. Матвейчук
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
ВЛИЯНИЕ ЗЕРНИСТОСТИ ВЫСОКОПРОЧНОГО ТУГОПЛАВКОГО
НАПОЛНИТЕЛЯ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ АЛМАЗНЫХ БУРОВЫХ КОРОНОК
Results on studies the influence of grain monocarbide tungsten on the efficiency of diamond
drill bits are given
Как свидетельствует отечественный и зарубежный опыт, композиционные материалы
с металлической матрицей, упрочненной тугоплавкими высокомодульными высокопрочны-
ми частицами, перспективны для применения в различных отраслях, в том числе при буре-
нии скважин. При соответствующем составе матричных сплавов и определенной объемной
доле армирования дисперсные частицы стабилизируют структуру композиционных материа-
лов, тем самым косвенно обеспечивая повышение прочности и износостойкости [1, 2].
С учетом того, что алмазосодержащая матрица буровых коронок представляет собой
объемную гетерогенную систему, состоящую из существенно различающихся свойствами, вза-
имно нерастворимых компонентов (алмаз, износостойкий наполнитель, металлическая связка),
актуальны исследования, направленные на максимально эффективное совокупное использова-
ние преимуществ каждого из них. Важный фактор заключается в том, что влияние этих компо-
нентов изменяется в зависимости от природы и условий получения, физико-механических
свойств используемых материалов и технологических режимов изготовления инструмента.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
169
В настоящее время в качестве наполнителя широко используют рэлит – частицы, со-
стоящие из смеси карбидов вольфрама WC и W2C. Недостатком такого наполнителя является
наличие в частицах значительного количества микротрещин, возникающих в процессе дроб-
ления, и микронапряжений на границе фаз WC и W2C.
По нашему мнению, в качестве наполнителя перспективнее крупные однофазные частицы
WC, получаемые методом карбидизации крупнозернистых порошков монокарбида вольфрама.
Из всех тугоплавких карбидов монокарбид вольфрама WC с высокими микротвердо-
стью (НV0,05 = 2000 МПа), модулем упругости (Е = 722 ГПа) и энергией активации движения
дислокаций (Uо = 1,5 эВ) наиболее пластичный. Предел его прочности при изгибе Rbm = 550
МПа, в то время как у второго по пластичности карбида титана Rbm = 240–390 МПа. Проч-
ность при изгибе карбидов тантала, ниобия, молибдена, ванадия и хрома неизвестна. Модуль
упругости карбида титана 350 ГПа более чем в два раза меньше, чем WC.
В отличие от карбидов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома и
молибдена, монокарбид вольфрама, как химическое соединение не имеет области гомоген-
ности. При этом он хорошо смачивается (угол смачивания составляет 0
о
) металлами желез-
ной триады и несколько хуже медью (угол смачивания при температуре 1200
о
С = 7
о
) [3].
Результаты анализа процесса гидроабразивного изнашивания композиционных алма-
зосодержащих материалов показали, что введение в их состав зерен WC разного размера в
качестве износостойкого наполнителя способствовует снижению интенсивности изнашива-
ния породоразрушающего инструмента и повышению его работоспособности [4].
В этой связи в настоящей работе изучили влияние размеров частиц WC на основные
показатели работоспособности алмазных буровых коронок: механическую скорость бурения
и интенсивность изнашивания.
Объектом исследований взяли коронки типа БС-01 диаметром 76 мм с матрицей на
основе шихты ВК6, пропитанной медью методом инфильтрации. Коронки оснастили синте-
тическими монокристаллическими алмазами марки АС160Т зернистостью 355/300 мкм с
относительной концентрацией 125 %, а также износостойким наполнителем – монокарбидом
вольфрама WC разной зернистости (–40 мкм, 125/80 и 160/125 мкм) в количестве 12 об. %
Порошки крупнозернистого монокарбида вольфрама WC зернистостью –40, 125/80 и
160/125 мкм были получены способом газовой карбидизации при температуре 2200–2400
о
С
в метано-водородной газовой среде. Для получения таких карбидов применяли предвари-
тельно рассеянные на фракции порошки крупнозернистого вольфрама W, полученные вос-
становлением из WO3 в закрытом реакционном пространстве [5].
Внешний вид частиц монокарбида вольфрама WC показаны на рис.1.
а б в
Рис. 1. Внешний вид частиц WC зернистостью: а – -40 мкм; б – 125/80 мкм; в – 160/125 мкм
Частицы монокарбида вольфрама WC зернистостью –40 мкм представляют собой ок-
руглые агломераты мелких и крупных частиц. Крупнозернистые частицы зернистостью
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
170
125/80 и 160/125 мкм округлые, поликристаллические, с четкой границей раздела между от-
дельными блоками размером 10–20 мкм (рис. 2).
Рис. 2. Внешний вид отдельной частицы WC зернистостью 125/80 мкм (×2500)
Во время карбидизации на крупной частице W образуются зародыши фаз W2C и WC,
которые растут в середину частицы до взаимного столкновения столкновения с образовани-
ем межблочных границ (рис. 3).
При этом частицы порошка имеют внутренние напряжения и субмикротрещины, об-
разующиеся вследствие разных коэффициентов термического разширения и плотности фаз
W, W2C, WC. Небольшое количество блоков обусловлено высокими температурой карбиди-
зации и длительностью изотермической выдержки.
Микротвердость частиц составляет 8–10 ГПа, что согласуется с теоретической моде-
лью [7].
Рис 3. Общий вид межблочных границ у частиц WC (×10000)
Экспериментальные исследования работоспособности буровых коронок проводили на
специальной установке, представляющей собой модернизированный радиально-сверлильный
станок модели 2Н58 с мощностью двигателя основного привода 13 кВт, дополнительно ос-
нащенного гидравлической системой подачи и системой промывки скважины.
Испытывали коронки путем бурения скважин при частоте вращения инструмента 600
мин
-1
и осевой нагрузке 750–1500 даН с шагом изменения 250 даН. В качестве эталонной
горной породы для испытаний износостойкости инструмента выбрали коростышевский гра-
нит X категории буримости, характеризующийся стабильными свойствами, высокой твердо-
стью и средней абразивностью. Гранит – биотитовый порфировидный. Вкрапления полевого
шпата имеют изометрическую или удлиненную призматическую форму. Основная масса по-
роды среднезернистая, микроструктура гипидиоморфиозернистая. Основные физико-
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
171
механические свойства гранита: твердость по штампу Рш = 237 даН/мм
2
, абразивность – 43,
объединенный показатель буримости ρм = 34,251,2.
Зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки для коронок, содер-
жащих в качестве износостойкого наполнителя матрицы зерна WC разной зернистости, пока-
заны на рис. 4.
Рис. 4. Зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки коронок БС-01 76
мм с наполнителем WC зернистостью: 1 40 мкм; 2 125/80 мкм; 3 – 160/125 мкм
Как видим, для всех опытных коронок характерна общая закономерность прямо про-
порционального повышения механической скорости бурения при повышении осевой нагрузки.
У коронок с наполнителем WC зернистостью 40 мкм механическая скорость бурения
наименьшая. Повышение осевой нагрузки с 750 до 1500 даН способствовало повышению
механической скорости бурения с 1,35 м/ч до 2,25 м/ч, т.е. в 1,68 раза.
У коронок с наполнителем WC зернистостью 125/80 и 160/125 мкм такое же повыше-
ние осевой нагрузки способствовало повышению механической скорости бурения соответст-
венно в 1,57 (с 1,78 м/ч до 2,8 м/ч) и в 1,6 раза (с 2,1 м/ч до 3,36 м/ч).
Следует отметить, что темпы повышения механической скорости бурения с увеличе-
нием осевой нагрузки практически не зависели от размера частиц наполнителя. Это свиде-
тельствует о том, что механизм разрушения горной породы при изменении размеров частиц
WC с 40 до 160 мкм не изменяется. Однако при такой же осевой нагрузке с увеличением
размеров зерен WC механическая скорость бурения повышается. Это свидетельствует о вы-
сокой вероятности того, что крупные зерна WC, обнажившиеся на рабочей поверхности мат-
рицы, могут в дополнение к алмазам участвовать в разрушении предразрушенной ими гор-
ной породы.
Зависимости интенсивности изнашивания коронок от осевой нагрузки показаны на
рис.5.
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
172
Рис. 5. Зависимости интенсивности изнашивания буровых коронок типа БС-01 диаметром
76 мм от осевой нагрузки при постоянной частоте вращения 600 мин
-1
и зернистости коро-
нок: 1 -40 мкм, 2 – +80 125 мкм, 3) +125 160 мкм
Следует отметить, что для всех коронок так же, как и для механической скорости бу-
рения, характерна общая закономерность прямопропорционального повышения интенсивно-
сти изнашивания алмазоносной матрицы при росте осевой нагрузки.
У коронок с зернистостью наполнителя WC зернистостью 40 мкм была зафиксиро-
вана наибольшая величина интенсивности изнашивания матрицы коронки. Повышение осе-
вой нагрузки с 750 даН до 1500 даН вызывало ее рост в 2,73 раза (с 11 мкм/м до 30 мкм/м).
У коронок с наполнителем WC зернистостью 125/80 и 160/125 мкм повышение осевой
нагрузки с 750 до 1500 даН приводит к повышению интенсивности изнашивания их матрицы
соответственно с 7 мкм/м до 27 мкм/м (в 3,86 раза) и с 5 мкм/м до 24 мкм/м (в 4,8 раза).
Таким образом, с увеличением зернистости наполнителя WC повышение темпов ин-
тенсивности изнашивания приводит к ее снижению величины при всех исследованных соче-
таниях параметров режима бурения. Интересно, что с увеличением размера зерна WC темпы
повышения интенсивности изнашивания с ростом осевой нагрузки, в отличие от темпов по-
вышения механической скорости бурения, возрастают, что приводит при больших осевых
нагрузках (1500 даН) к сближению величин интенсивности изнашивания. Механизм этого
явления пока не ясен. Для его выявления необходимы специальные исследования. Здесь же
отметим, что на износ коронки масштабный фактор частиц WC при различных осевых на-
грузках влияет по-разному: при небольшой осевой нагрузке (750–1250 даН) темпы повыше-
ния износостойкости коронок с увеличением размеров зерен WC возрастают, а при большей
– начинает уменьшаться. Вероятно, это обусловлено постепенным исчерпанием способности
крупных частиц WC сопротивляться износу вследствие увеличения в них количества и раз-
меров дефектов, указанных при описании их структуры.
Сопоставив полученные значения механической скорости бурения и интенсивности
изнашивания в одинаковых режимах бурения, приходим к выводу, что эффективнее будут
работать буровые коронки, обеспечивающие максимальную для заданных режимов бурения
механическую скорость при минимальной интенсивности их износа. Приняв в качестве пока-
зателя эффективности работы буровых коронок отношение механической скорости бурения
Vмех к интенсивности изнашивания I, рассмотрим результаты испытаний (см. таблицу).
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
173
Эффективности работы буровых коронок
Зернистость
наполнителя
WC, мкм
Vмех/I при осевой нагрузке на коронку, даН
750 1000 1250 1500
40 0,122 0,100 0,095 0,075
+80 125 0,223 0,171 0,138 0,104
+ 125 160 0,420 0,343 0,219 0,140
Из данных таблицы следует, что наиболее эффективны из числа испытанных при буре-
нии коростышевского гранита опытные коронки с износостойким наполнителем WC зерни-
стостью 160/125 мкм. Такой наполнитель с точки зрения рационального применения зерен WC
можно рекомендовать для использования в матрицах буровых коронок в целях повышения их
износостойкости при бурении твердых абразивных пород (твердые кварцевые мелкозернистые
песчаники, плотные магнетитовые руды, граниты, гранодиориты, джеспилиты и др.).
Литература
1. Тарнопольский Ю. М., Жигун И. Г., Поляков В. А. Пространственно-армированные
композиционные материалы. – М.: Машиностроение, 1987. – 224 с.
2. Справочник по композиционным материалам: В 2 кн.: Пер. с англ. / Под ред. Дж. Лю-
бина. – М.: Машиностроение, 1988. – Кн. 1. – 448 с.; Кн. 2. – 584 с.
3. Тучинский Л. И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. – М.:
Металлургия, 1986. – 208 с.
4. Сверхтвердые материалы в геологоразведочном бурении / П. В. Зыбинский,
Р. К. Богданов, А. П. Закора, А. М. Исонкин – Донецк: Норд-Пресс, 2007. – 244 с.
5. Новые технологии синтеза вольфрамсодержащих составляющих твердых сплавов
группы ВК и ТК / В. П. Бондаренко, И. В. Андреев, И. В. Савчук, А. А. Матвейчук //
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология
его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – 2008. – Вып. – 11.
6. Особенности восстановления вольфрама из его оксида WO3 в закрытом реакторе /
В. П. Бондаренко, И. В. Андреев, И. В. Савчук и др. // Сверхтв. материалы. – 2005. –
№ 2, – С. 35–45.
7. Gille Gerhard, Bredthauer J., Gries B., Mende B., Heinrich W. Advanced grades of WC and
binder powder – their properties and applications // European Conference on Advanced in
Hard Materials Production Lingotto Conference Centre, Turin, Italy, November 8–10, 1999.
– C. 27–46.
Поступила 07.06.10
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-23404 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:58:16Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бондаренко, В.П. Исонкин, А.М. Богданов, Р.К. Матвейчук, А.А. 2011-07-04T13:51:07Z 2011-07-04T13:51:07Z 2010 Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок // В.П. Бондаренко, А.М. Исонкин, Р.К. Богданов, А.А. Матвейчук // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 168-173. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23404 622.24 (085). (477.62) Results on studies the influence of grain monocarbide tungsten on the efficiency of diamond
 drill bits are given ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок Бондаренко, В.П. Исонкин, А.М. Богданов, Р.К. Матвейчук, А.А. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title | Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок |
| title_full | Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок |
| title_fullStr | Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок |
| title_full_unstemmed | Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок |
| title_short | Влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок |
| title_sort | влияние зернистости высокопрочного тугоплавкого наполнителя на работоспособность алмазных буровых коронок |
| topic | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| topic_facet | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23404 |
| work_keys_str_mv | AT bondarenkovp vliâniezernistostivysokopročnogotugoplavkogonapolnitelânarabotosposobnostʹalmaznyhburovyhkoronok AT isonkinam vliâniezernistostivysokopročnogotugoplavkogonapolnitelânarabotosposobnostʹalmaznyhburovyhkoronok AT bogdanovrk vliâniezernistostivysokopročnogotugoplavkogonapolnitelânarabotosposobnostʹalmaznyhburovyhkoronok AT matveičukaa vliâniezernistostivysokopročnogotugoplavkogonapolnitelânarabotosposobnostʹalmaznyhburovyhkoronok |