Алмазный породоразрушающий инструмент
Бурение коронками с резцами из твердого сплава эффективно лишь в мягких и скальных породах средней крепости, т.е. в породах от I до VII – VIII категорий по буримости, причем, чем выше категория пород, тем менее эффективность твердосплавного бурения. В породах IХ – ХII категорий твердосплавное бурение практически неприемлемо. До середины пятидесятых годов прошлого столетия, когда в нашей стране еще не было своих технических алмазов, в твердых скальных породах бурение приходилось выполнять дробью, что было малоэффективно и по скорости бурения и по сложности технологии. Породы IХ – ХII категорий представлены твердыми и очень твердыми минералами и породами, разрушать которые может только один природный материал-минерал - АЛМАЗ. Алмаз обладает уникальными свойствами – твердостью и износостойкостью, что позволяет использовать его для бурения самых твердых пород, причем значительно эффективнее, чем дробью.
Впервые алмазные резцы для бурения были применены в 1854 г. Алмазная коронка впервые была предложена в 1862 году часовщиком Г.Лешо и использовалась при бурении, правда, взрывных скважин, при проходке туннеля в Альпах. После этого за рубежом стали применятьи для разведочного бурения коронки, армированные (зачеканенными) сравнительно крупными 4 – 6 ммалмазными резцами по 4 – 6 штук в коронке. Такие коронки называли «крупноалмазные».В конце ХIХ века и за рубежом и в России стали применять коронки с мелкими техническими алмазами – «мелкоалмазные» В России большой вклад в развитие алмазного бурения сделал профессор С.Петербург-ского университета С.Г. Войслав, он же сконструировал буровой станок вращательного бурения с автоматизированной подачей.
Массовое внедрение алмазного бурения в нашей стране началось в конце пятидесятых годов прошлого века после открытия и начала промышленной добычи Якутских алмазов. В эти же годы за рубежом, а с 1960 года в СССР были получены первые промышленные синтетические алмазы. В дальнейшем производство синтетических алмазов расширялось и совершенствовалось, их качество практически сравнялось с природными. Сейчас примерно половина всех буровых алмазных коронок армируется синтетическими алмазами.
Алмазы и сверхтвердые материалы, и их свойства
Алмаз представляет собой чистый углерод (то же, что и графит) отличающийся сверхплотной кристаллической решеткой, что и определяет его уникальную твердость. Кристаллы алмаза могут иметь разные формы – кубическая, октаэдры, ромбододекаэдры и другие. Кристаллы могут иметь не только прямые, но и округлые грани и тогда они называются гексоидроид, октаидроид ит.д. В природе встречаются как монокристаллы, так и поликристаллические образования. Выделяют 4 типа природных технических алмазов:
- целые монокристаллы – обычно представляют большую ценность и используются для ювелирных целей,
- балассы - тонкокристаллические поликристаллические образования округлой формы лучистого строения с более твердой и износостойкой чем сердцевина оболочкой,
- карбонадо - черные или коричневые бразильские алмазы также поликристаллические овальной формы и также имеющие более твердую и износостойкую оболочку (карбонадо и балассы раньше за рубежом использовались в буровых коронках в качестве подрезных).
- борт – технические алмазы небольшой величины (от 2 – 3 шт. на карат до 600 шт. на карат и мельче), представленные обломками и сростками кристаллов, дефектными кристаллами с трещинами, сколами,включениями и прочими дефектами. Именно алмазный борт идет на изготовление обрабатывающего инструмента и буровых коронок. Синтетические алмазы представляют собой обычно мелкие монокристаллы и их сростки. Из наиболее мелких природных и синтетических алмазов можно создавать поликристаллические спеки размерамидо 4 мм, но это уже относится к «сверхтвердым материалам».
Свойства технических алмазов
Рассмотрим свойства алмазов в последовательности важности каждого свойствадля работы в алмазных буровых коронках.
1. Твердость (сопротивление внедрению в поверхность данного материала) у алмаза самая большая из всех природных, да и синтетических материалов и равна 100 ГПа (100 кН/мм2.). Это в 5 раз выше, чем у следующего по твердости корунда, в 7 раз больше чем у твердого сплава ВКи в 10 раз больше чем у кварца.
2. Износостойкость алмаза в 150 раз выше, чем у корунда и почти в 1000 раз выше, чем у кварца.
3. Химическая стойкость. Алмаз обладает почти уникальной химстойкостью, он не растворяется ни в каких кислотах, даже в «царской водке» (смеси серной и азотной кислот). Он может подвергаться воздействию лишь при повышенных температурахрасплавов некоторых солей и щелочей (особенно в присутствии железа).
4. Теплопроводность. Алмаз имеет довольно высокую теплопроводность, чтовесьма полезно для работы алмазных резцов в буровых коронках. Теплопроводность алмаза в 2 – 5 раз выше, чем у твердого сплава, что в отличие от твердосплавных резцов, обеспечивает своевременный отвод тепла от режущей кромки резца независимо от скорости вращения буровой коронки (до 1500 – 3000 об/мин. в производственных условиях и до 40.000 об/мин. в эксперименте).
5. Прочность статическая (сопротивление разрушению кристалла или зерна от статической нагрузки сжатия или сдвига). По этому показателю алмаз уступает твердому сплаву примерно в 2 раза на сжатие (алмаз имеет от 2 до 9 ГПа, в среднем 3 ГПа) и в 3 – 4 раза слабее твердого сплав на изгиб – скол(у алмаза 0,2 – 0,5 ГПа). Невысокие значения прочности надо учитывать при выборе нагрузки на алмазные резцы.
6. - Динамическая прочность еще больше проявляется слабость алмаза. Динамическая прочность алмаза в 4 раза меньше статической, что очевидно, требует охранения алмазных резцов от динамических (ударных) нагрузок.
7. - Анизотропность (разнотвердость, разноизносостойкость, разнопрочность по разным направлениям и гранямзерна) Хотя анизотропность алмаза сравнительно невелика - от 10 до 30%, но само это явление негативное и его надо учитывать при ориентированной установке алмазных резцов в коронке
8. - Термостойкость – слабое место алмаза. На воздухе алмаз буквально сгорает при температуре 850 – 1000 °С. При нагреве более 350 °С алмаз начинает постепенно терять свои уникальные свойства – твердость и износостойкость. Выдерживать высокие температуры, необходимые при изготовлении коронок, алмаз может в инертной среде при отсутствии кислорода (инертные газы, водород, вакуум, где он выдерживает до 1100 – 1400 °С).
9. Плотность Обычно 3,5, но в зависимости от пористости могут быть камни с плотностью от 2,9 до 3,56. Большого значения для буровых качеств алмазов плотность не имеет.