Файл: Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин.pdf

хрупкие материалы. Пример тому — применение алмазов в бу­

рении. Учитывая этот факт, а также преобладающую роль

стойкости породоразрушающего инструмента (даже в ущерб ме­

ханической скорости бурения) при проходке глубоких сква­ жин, вполне целесообразной явилась попытка создания инстру­ ментального материала [102] на основе использования стойкой спеченной твердосплавной связки. Для обеспечения лучшего сцепления породоразрушающего элемента с забоем в эту связку

введен сверхтвердый наполнитель. Поскольку зерна наполни­

теля значительно тверже связки, при износе последней поверх­

ность трения породоразрушающего элемента будет иметь мно­

жество дискретных контактов (зон сцепления), создающих

высокий уровень напряжений в подрезцовом пространстве.

В качестве наполнителя можно использовать такие сверхтвер­

дые материалы, как карбид бора и кремния, а также алмазы,

кубический натрий бора и др. Применение названных веществ обусловлено их высокой микротвердостью и хорошей тепло­

стойкостью.

На рис. 59 приведены графики зависимости микротвердости

некоторых сверхтвердых материалов от температуры [85],

из которых видно, что для всех рассматриваемых веществ рост

температуры пагубно сказывается на прочности. Однако сле­

109

этом желательно было бы размещать отдельные зерна в со­ ответствии с рациональной схемой взаимодействия пуансо­

нов при одновременном внедрении их в материал, о чем писа­ лось в гл. III.

Однако, учитывая, что при наличии сдвигающего усилия уменьшаются геометрические размеры зоны разрушения, оп­ тимальное расстояние с точки зрения наиболее эффективного взаимодействия зон должно быть уменьшено. Параметр схемы —

рациональное соотношение размеров сторон треугольника—дол­

жен быть определен для различных типов пород. Такая работа

еще не проведена. Технологически вполне возможно обеспе­

чить размещение зерен сверхтвердого материала по схеме, близ­

кой к оптимальной.

Наличие дискретного контакта улучшает условия охлажде­ ния резца и смачивания породы в зоне резания.

Введение сверхтвердого наполнителя в твердосплавную связку сопряжено с рядом трудностей, так как при обычном

спекании твердых сплавов и свободной усадке наполнитель не

позволяет получить плотной структуры. Поэтому решено было

использовать метод горячего прессования. При этом способе

вследствие наличия жидкой фазы у не требуется никакой до­

полнительной связки и возможно получение практически

беспористого изделия. Кратковременность процесса (1—3 мин) при несколько повышенной по сравнению со спеканием при свободной усадке температурой способствует быстрому про­

хождению области диффузии и спекания кобальта и собственно

спекания сплава. Обогащенный карбидом вольфрама эвтекти­

ческий расплав — жидкая фаза — растекается под давлением и быстро проникает между зернами карбида матрицы и сверх­ твердого вещества.

При прессовании в графитовых прессформах из-за образо­ вания защитной атмосферы отпадает необходимость в создании специальной среды.

Такой сцособ для изготовления аналогичных материалов

суспехом применяли Г. А. Меерсон и Г. В. Самсонов [99].

Влитературе также есть сведения о применении способа горя­

чего прессования для получения алмазно-металлических ка­

рандашей с твердосплавной матрицей [103]. Однако Фтот инстру­

мент оказался малопроизводительным, так как обнажение

очередных алмазных зерен было весьма затруднительным. При­

менение такого технологического процесса позволило полу­

чить карбид-кремниево-твердосплавный композиционный ма­

териал в виде цилиндрических штабиков диаметром 10 мм и вы­

сотой 15 мм с высотой импрегнированного слоя 5 мм. Кроме того, для испытаний прочностных характеристик нового мате­

110

Па рис. 60 дана зарисовка тор­

цевой поверхности штабика, а на рис. 61 — вид излома. Пунк­

тиром (см. рис. 60) соединены образовавшиеся треугольники.

Естественно, что при прессовании исходная структура несколь­

ко искажается.

Цилиндрические штабики исследовались в целях получе­ ния прочностных показателей (табл. 14). Полученные резуль­ таты показывают, что прочность изделий для применения их при оснащении долот достаточна, так как максимальные нагруз­ ки на долота аналогичных конструкций (алмазные, истирающережущие) не превышают 10 т.

Интересно отметить, что соотношение пределов прочности на сжатие и растяжение для нового материала совпало с соот­ ношением, присущим бетонам,

^раст -—0,5асж -- 0,16 асж.

Анализ излома штабика (см. рис. 61) показывает, что поверх­

ность разрушения проходит главным образом по материалу матрицы и границе ее с зернами. Материалы табл. 14 свиде­ тельствуют, что по сравнению с чистым твердым сплавом той же

Т а б л и ц а 14