Алмазы и сверхтвердые материалы для армирования горных инструментов

В настоящее время для армирования горных инструментов используют природные и синтетические алмазы.

Природный алмаз — минерал, обладающий самой высокой твердостью среди известных в природе материалов. Его микротвердость по Виккерсу равна 100000 МПа, модуль упругости — 900000 МПа, а прочность на сжатие — всего 2000 МПа. Алмаз стоек против кислот, на него не действует даже царская водка. Термостойкость алмаза высокая — графитизироваться он начинает при температуре 800—1000 °С.

Наряду с высокой твердостью алмазы характеризуются повышенной хрупкостью, что следует учитывать при изготовлении и эксплуатации алмазного инструмента. Алмаз обладает самым большим модулем упругости по сравнению с другими известными высокотвердыми материалами, что одна из причин высоких режущих свойств алмазных инструментов.

Основные разновидности природных алмазов, применяемых в горном деле, — борт, карбонадо и баллас. Борт представляет собой главным образом обломки и сростки кристаллов неправильной формы, не имеющих определенных плоскостей спайности. Алмазы этого вида имеют преимущественно стальной цвет c желтоватым и голубоватым оттенками, обычно трещиноватое. Карбонадо — агрегаты поликристаллического строения, имеющие тонкозернистую структуру. Они овальной формы, плотные, состоят из массы микроскопических кристаллов, главным образом черного, серого или зеленоватого цвета. Карбонадо, менее хрупки, чем борт, и часто применяются в буровых инструментах. Балласы — алмазы шаровидной формы, поликристаллического строения с радиально-лучистой структурой. Оболочка кристаллов более твердая, чем ядро.

Природные технические алмазы чаще всего имеют массу от сотых долей до 1—2 каратов (один карат равен 0,2 г).

Синтетические алмазы по физическим и химическим свойствам практически не отличаются от природных. Имеются некоторые различия по форме, размеру, термической стойкости.

Промышленный синтез алмазов осуществляется из графита в специальных камерах при давлении (50—120)*10² МПа и температуре до 3000 °С в присутствии металла-растворителя (никеля, марганца, железа и др.). В настоящее время отечественная промышленность изготовляет алмазы, рекомендуемые для армирования буровых инструментов, с различными свойствами и различного назначения (ГОСТ 9206—80): моно- (марки АС32, АС50) и поликристаллические (марки АРВ16, АРК4 и АРС3).

Наиболее широкое распространение нашли поликристаллические алмазы АРС3 (СВСП). На их основе промышленностью выпускаются геологоразведочные коронки, долота и буровые головки для бурения нефтяных и газовых скважин. Прочность алмазов СВСП составляет 3000—4000 МПа, термостойкость — 1100—1200 °С. Получают их в виде штабиков размером 4Х4Х ХЗ мм спеканием алмазных порошков при давлении 12000 МПа и температуре выше 3000 °С без присутствия металла-растворителя.

Так как размеры зерен алмазов малы, то современный алмазный инструмент работает по принципу микрорезания. Поэтому скорость бурения алмазных инструментов без учета времени на замену в сравнении с твердосплавными невысока. С целью увеличения скорости бурения, а также повышения стойкости бурового инструмента в последние годы созданы слоистые алмазно-твердосплавные материалы типов СВБН, АТП (СССР), стратапакс (США), синбит (ЮАР) и их разновидности. Указанные материалы представляют собой твердосплавные пластины толщиной 2—2,5 мм, на которые нанесен слой поликристаллических алмазов, равный 0,5—0,7 мм. Форма пластин может быть различной: круглой, прямоугольной, трехгранной и т. д. в зависимости от назначения.

Основная область применения этих материалов — бурение нефтяных и газовых скважин в мягких и средней крепости породах. Однако имеются отдельные сведения об их использовании для армирования резцов вращательного бурения шпуров н скважин. По литературным данным/ при работе инструментов, оснащенным слоистыми алмазно-твердосплавными пластинами, до 2 раз повышается механическая скорость бурения и в десятки раз увеличивается стойкость. Однако буровой инструмент требует высокой культуры эксплуатации и аккуратного обращения. С учетом особых требований к технике эксплуатации и высокой стоимости эти инструменты пока не находят массового применения. Тем не менее перспективность применения алмазно-твердосплавных материалов в горном деле очевидна.

В последние годы ВНИИТСом разработана технология получения сверхтвердых композиционных материалов типа СВПК, обладающих свойствами синтетических поликристаллических алмазов и позволяющая изготовлять заготовки режущих элементов различных формы и размеров. Опыт эксплуатации бурового и правящего инструмента, оснащенного этим материалом, показывает высокую их эффективность при работе в тяжелых условиях абразивного изнашивания.

Известный интерес для изготовления горных инструментов имеет кубический нитрид бора, который представляет собой кубическую модификацию химического соединения бора и азота. Получают его, как и алмаз, в специальных камерах при высоких давлениях и температурах. Параметры решетки и минимальное межатомное расстояние у кубического нитрида бора несколько большие, чем у алмаза. Его твердость 80000 МПа, термостойкость выше, чем у алмаза (он не теряет своих свойств даже при температуре 1400 °С); модуль упругости — 720 000 МПа, предел прочности на сжатие — 500 МПа. При изготовлении кубического нитрида бора можно в широких пределах изменять физико-механические свойства, поэтому в зависимости от технологии изготовления различные организации выпускают существенно разные модификации его под названиями: эльбор, кубонит, боразон, гексанит.

Славутич — сверхтвердый материал, разработанный специально для оснащения буровых инструментов; не уступает природным алмазам по износостойкости, но превосходит их по прочности. Из этого материала могут изготовляться изделия практически любой формы. Долота для бурения нефтяных и газовых скважин, армированные славутичем, в 1,5—2,0 раза дешевле долот, оснащенных крупными природными алмазами.