Применение поликристаллического алмаза PCD

Поликристаллический алмаз, в отрасли обычно называемый PCD, представляет собой сверхтвердый материал, полученный спеканием большого количества мелких алмазных зерен при высокой температуре и высоком давлении. Он сохраняет почти предельную твердость и износостойкость алмаза, а его хаотично ориентированные кристаллиты предотвращают раскалывание по определенной кристаллографической плоскости крупными связными фрагментами, как это свойственно монокристаллическому алмазу. По этой самой причине его изготавливают в виде режущих зубьев, инструментов и различных износостойких компонентов, находя применение в, казалось бы, не связанных друг с другом отраслях, таких как добыча нефти, горное дело, обработка камня и механообработка. Когда эти сценарии связываются воедино, они как раз и формируют полную картину применения поликристаллического алмаза (PCD).

Нефтегазовое бурение: вершина применения поликристаллического алмаза

При нефтегазовом бурении наиболее распространенной формой поликристаллического алмаза являются режущие зубья PDC. PDC — это аббревиатура от поликристаллического алмазного компакта (polycrystalline diamond compact), который спекает слой поликристаллического алмаза на подложке из твердого сплава карбида вольфрама, позволяя острому алмазному рабочему слою скалывать породу, в то время как нижележащий твердый сплав обеспечивает опору и поверхность для пайки. Такие долота с фиксированными резцами используются в скважинах с плотными коллекторами, скважинах сланцевого газа, перемежающихся пластах и при глубоководном бурении для непрерывного срезания породы на забое скважины, а не для ее многократного дробления шарошкой. Поскольку эти условия часто являются абразивными и твердыми, то, сохраняют ли режущие зубья остроту режущей кромки после длительного бурения, напрямую определяет проходку и частоту подъемов долота.

Горные выработки, геология, скважины и геотермальное бурение

За пределами нефтегазовой отрасли применение поликристаллического алмаза также очень широко. При геологоразведке и бурении шахт плоские и микродуговые режущие зубья устанавливаются в якорные долота, керновые долота и лопастные долота для работы с широким диапазоном литологии от мягких пород до гранита и кварцита. Бурятся водозаборные и геотермальные скважины, где они используются с лопастными и пилотными долотами, а в пневмоударниках используются шарообразные, конусные и баллистические композитные зубья для разгрызания высокоабразивных формаций, содержащих кремний и кварц. В таких высококремнистых формациях ресурс алмазных композитных зубьев долота пневмоударника может в 5–10 раз превышать ресурс зубьев из твердого сплава, что является разрывом, который чистый твердый сплав с трудом может догнать.

Резка камня и дорожное обслуживание

Поликристаллический алмаз работает не только под землей. В камнеобрабатывающей промышленности квадратные режущие зубья используются для резки гранита и мрамора на цепных камнерезных станках, а ступенчатые режущие зубья крепятся болтами к оборудованию для быстрой замены после износа. Дорожное обслуживание и дорожные фрезы также полагаются на него для увеличения срока службы режущих частей. У этих сценариев есть одна общая черта: все они контактируют с высокоабразивными твердыми материалами. Как только инструмент затупляется, эффективность быстро падает, а стоимость остановки и замены инструмента высока, поэтому ценность износостойкости особенно велика.

Прецизионная обработка цветных металлов и неметаллов

Еще одно легко упускаемое из виду направление — это механообработка. Инструменты из поликристаллического алмаза часто используются для прецизионной обработки цветных и неметаллических материалов, таких как алюминиевые сплавы, медь и различные композитные материалы, позволяя поддерживать тонкие и гладкие режущие кромки на таких материалах. Здесь стоит напомнить одну вещь: при непрерывном резании железа, стали и железо-никель-кобальтовых материалов при высоких температурах алмаз подвергается химическому износу и даже графитизации, поэтому он не подходит для резания стали; выбор материала обязательно должен учитывать обрабатываемый объект.

Почему поликристаллический алмаз

Если посмотреть на эти сценарии вместе, можно заметить, что они указывают на одну и ту же логику: поликристаллический алмаз особенно хорошо проявляет себя в условиях, где износ является основным противоречием, а ударные нагрузки находятся в контролируемом диапазоне. Его алмазные зерна образуют непрерывный каркас; после локального износа соседние зерна могут воспринимать нагрузку; в сочетании с матрицей из твердого сплава, обеспечивающей опору и поверхность для крепления, один композитный режущий зуб может быть одновременно износостойким, пригодным для пайки и ударопрочным. Его истинная ценность заключается в создании одной износостойкой рабочей кромки с контролируемой стоимостью и последующем надежном креплении ее к инструменту, а не в простом стремлении к самому твердому материалу.

На что действительно обращать внимание при выборе

Конечно, поликристаллический алмаз не является панацеей. Твердость формации или заготовки — это лишь один из входных параметров для выбора, но также необходимо учитывать абразивность, минеральный состав, наличие пропластков, ударные нагрузки и температуру. Условия высокой абразивности и низких ударных нагрузок подходят для того, чтобы ставить износостойкость на первое место, в то время как в перемежающихся пластах с сильными ударными нагрузками следует в первую очередь обеспечить стабильность режущей кромки. Настоящее решение о применении никогда не может основываться только на одном или двух параметрах материала; необходимо возвращаться к конкретным условиям эксплуатации, проводить эксперименты и смотреть на данные.