PDC:n terminen kuluminen ja koboltin poisto

I. PDC:n terminen kuluminen ja koboltin poistuminen

PDC:n korkeapaineisessa sintrausprosessissa koboltti toimii katalyyttinä edistäen timantin ja timantin suoraa yhdistelmää ja tekemällä timanttikerroksesta ja volframikarbidimatriisista kokonaisuuden, mikä johtaa PDC:n leikkaushampaisiin, jotka soveltuvat öljykenttien geologiseen poraukseen ja joilla on korkea sitkeys ja erinomainen kulutuskestävyys.

Timanttien lämmönkestävyys on melko rajallinen. Ilmanpaineessa timantin pinta voi muuttua noin 900 ℃:n tai korkeammassa lämpötilassa. Käytön aikana perinteiset PDC-levyt yleensä hajoavat noin 750 ℃:n lämpötilassa. Kovien ja kuluttavien kivikerrosten läpi porattaessa PDC-levyt voivat helposti saavuttaa tämän lämpötilan kitkalämmön vuoksi, ja hetkellinen lämpötila (eli paikallinen lämpötila mikroskooppisella tasolla) voi olla jopa korkeampi, ylittäen reilusti koboltin sulamispisteen (1495 °C).

Puhtaaseen timanttiin verrattuna timantti muuttuu grafiitiksi alhaisemmissa lämpötiloissa koboltin läsnäolon vuoksi. Tämän seurauksena timantin kuluminen johtuu paikallisesta kitkalämmöstä johtuvasta grafitisoitumisesta. Lisäksi koboltin lämpölaajenemiskerroin on paljon suurempi kuin timantin, joten kuumennuksen aikana timanttijyvien välinen sidos voi häiriintyä koboltin laajenemisen vuoksi.

Vuonna 1983 kaksi tutkijaa suoritti timanttinpoistokäsittelyn standardinmukaisten PDC-timanttikerrosten pinnalle, mikä paransi merkittävästi PDC-hampaiden suorituskykyä. Tämä keksintö ei kuitenkaan saanut ansaitsemaansa huomiota. Vasta vuoden 2000 jälkeen, kun porakoneiden toimittajat saivat syvemmän ymmärryksen PDC-timanttikerroksista, he alkoivat soveltaa tätä teknologiaa kallionporauksessa käytettäviin PDC-hampaisiin. Tällä menetelmällä käsitellyt hampaat soveltuvat erittäin kuluttaviin muodostumiin, joilla on merkittävää lämpömekaanista kulumista, ja niitä kutsutaan yleisesti "kobolttivapaiksi" hampaiksi.

Niin kutsuttu ”dekoboltti” valmistetaan perinteisellä tavalla PDC:n valmistuksessa, ja sitten sen timanttikerroksen pinta upotetaan vahvaan happoon kobolttifaasin poistamiseksi happoetsausprosessin avulla. Koboltin poistosyvyys voi olla noin 200 mikronia.

Kahdelle identtiselle PDC-hampaalle (joista toisen timanttikerroksen pinta oli käsitelty kobolttia poistavalla käsittelyllä) tehtiin raskas kulutuskoe. 5000 m graniitin leikkaamisen jälkeen havaittiin, että koboltittoman PDC:n kulumisnopeus alkoi kasvaa jyrkästi. Sitä vastoin kobolttia poistanut PDC säilytti suhteellisen vakaan leikkuunopeuden leikattaessa noin 15 000 m kalliota.

2. PDC:n havaitsemismenetelmä

PDC-hampaiden havaitsemiseen on kahdenlaisia menetelmiä: rikkova testaus ja rikkomaton testaus.

1. Rikkova testaus

Näiden testien tarkoituksena on simuloida porausreiän olosuhteita mahdollisimman realistisesti, jotta voidaan arvioida leikkuuhampaiden suorituskykyä tällaisissa olosuhteissa. Kaksi pääasiallista rikkovan testauksen muotoa ovat kulumiskestävyyskokeet ja iskunkestävyyskokeet.

(1) Kulumiskestävyystesti

PDC-kulumiskestävyystestien suorittamiseen käytetään kolmenlaisia laitteita:

A. Pystysorvi (VTL)

Testin aikana PDC-terä kiinnitetään ensin VTL-sorviin ja asetetaan kivinäyte (yleensä graniitti) PDC-terän viereen. Kierrä sitten kivinäytettä sorvin akselin ympäri tietyllä nopeudella. PDC-terä leikkaa kivinäytteeseen tietyllä syvyydellä. Graniittia testattaessa tämä leikkaussyvyys on yleensä alle 1 mm. Tämä testi voi olla joko kuiva tai märkä. "Kuivassa VTL-testissä", kun PDC-terä leikkaa kallion läpi, ei käytetä jäähdytystä; kaikki syntyvä kitkalämpö siirtyy PDC:hen, mikä nopeuttaa timantin grafitoitumisprosessia. Tämä testausmenetelmä antaa erinomaisia tuloksia arvioitaessa PDC-teriä olosuhteissa, jotka vaativat suurta porauspainetta tai suurta pyörimisnopeutta.

”Märkä VTL-testi” mittaa PDC:n käyttöiän kohtuullisissa lämmitysolosuhteissa jäähdyttämällä PDC:n hampaita vedellä tai ilmalla testin aikana. Siksi tämän testin pääasiallinen kulumislähde on kivinäytteen jauhaminen eikä niinkään lämmityskerroin.

B, vaakasuora sorvi

Tämä testi suoritetaan myös graniitilla, ja testin periaate on pohjimmiltaan sama kuin VTL:ssä. Testiaika on vain muutama minuutti, ja graniitin ja PDC-hampaiden välinen lämpöshokki on hyvin rajallinen.

PDC-vaihteiden toimittajien käyttämät graniittitestausparametrit vaihtelevat. Esimerkiksi Yhdysvalloissa Synthetic Corporationin ja DI Companyn käyttämät testiparametrit eivät ole täsmälleen samat, mutta ne käyttävät testeissään samaa graniittimateriaalia, karkeaa tai keskikarkeaa polykiteistä magmakiveä, jolla on hyvin vähän huokoisuutta ja 190 MPa:n puristuslujuus.

C. Kulumissuhteen mittauslaite

Määritellyissä olosuhteissa PDC:n timanttikerrosta käytetään piikarbidihiomalaikan leikkaamiseen, ja hiomalaikan kulumisnopeuden ja PDC:n kulumisnopeuden suhdetta pidetään PDC:n kulumisindeksinä, jota kutsutaan kulumissuhteeksi.

(2) Iskunkestävyystesti

Iskukoemenetelmässä PDC-hampaat asennetaan 15–25 asteen kulmaan ja sitten pudotetaan esine tietyltä korkeudelta, jotta se osuu pystysuunnassa PDC-hampaiden timanttikerrokseen. Pudottavan esineen paino ja korkeus osoittavat testihampaan kokeman iskuenergian tason, joka voi vähitellen nousta jopa 100 jouleen. Jokaiseen hampaaseen voidaan iskuttaa 3–7 kertaa, kunnes sitä ei voida enää testata. Yleensä jokaisesta hammastyypistä testataan vähintään 10 näytettä jokaisella energiatasolla. Koska hampaiden iskunkestävyys vaihtelee, kunkin energiatason testitulokset ovat kunkin hampaan keskimääräinen timantin lohkeilupinta-ala iskun jälkeen.

2. Rikkomaton testaus

Yleisimmin käytetty rikkomaton testaustekniikka (visuaalisen ja mikroskooppisen tarkastuksen lisäksi) on ultraääniskannaus (Cscan).

C-skannaustekniikka pystyy havaitsemaan pieniä vikoja ja määrittämään niiden sijainnin ja koon. Tätä testiä varten PDC-hammas asetetaan ensin vesisäiliöön ja skannataan sitten ultraääniluotaimella;

Tämä artikkeli on uusintapainos teoksesta ”Kansainvälinen metallintyöstöverkosto”