РЕЖУЩЕЕ УСТРОЙСТВО ИЗ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА И КАРБИДА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CUTTING DEVICE MADE FROM POLYCRYSTALLINE DIAMOND AND CARBIDE AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к режущему устройству из поликристаллического алмаза и карбида и способу его изготовления, что относится к области сверхтвердых материалов.
Предпосылки изобретения
Режущее устройство из поликристаллического алмаза и карбида состоит из карбидного субстрата и слоя поликристаллического алмаза (ПКА). В дополнение к хорошей износостойкости и ударопрочности оно также должно иметь хорошую термостойкость в высокотемпературной среде. Существует много причин, которые во время работы могут привести к поломке режущего устройства из поликристаллического алмаза и карбида. Что касается поломки из-за температуры, имеется две основные причины, приводящие к поломке из-за температуры режущего устройства из поликристаллического алмаза и карбида: Во-первых, вследствие несоответствия коэффициентов алмазного порошка и кобальта, который применяют в качестве спекающей добавки, расширение кобальта значительно превосходит расширение алмаза при сильном изменении температуры, в результате генерируется местное напряжение деформации и это приводит к появлению микротрещин, что вызывает микроразрывы или макроразрывы. Во-вторых, вследствие того, что кобальт может графитизировать алмаз при высокой температуре, так что алмаз, который контактирует с поверхностью кобальта, превращается в графит, и таким образом сила сцепления между алмазом и алмазом значительно ослабевает, и это также приводит к образованию трещин.
Для улучшения термостойкости режущего устройства из поликристаллического алмаза и карбида в 2001 компания ReedHycalog (США) предложила свой ПКА термостойкий резец TREX и подала заявку на патент для него. Особенность технологии резца TREX состоит в том, что кобальт в поверхности резца удаляют с помощью кислотной коррозии, и т.п., так что срок эксплуатации резца значительно продлевается. Но толщина термостойкого слоя на выщелоченном ПКА-резце такого типа составляет лишь 0,1-0,4 мм и, следовательно, его термостойкий эффект ограничен. Кроме того, скорость выщелачивания кобальта является низкой, требуется более 24 часов для завершения обработки всего одного резца, и субстрат резца легко поддается коррозии. Существуют другие термостойкие резцы, которые обрабатывают различными способами, которые не включают применения кобальта в поверхностном алмазном слое в качестве связующего агента, но применяют вместо него Si или щелочной карбонат или непосредственно приваривают алмазный слой с удаленным кобальтом на плоский ПКА-резец и т.п. Но эти способы также имеют различные недостатки, например, плохое связывание между Si и кобальтом, требуются более высокое давление и высокая температура, что приводит к более высоким затратам, и недостаточно высокая прочность сваривания и т.п.
В качестве аналогов были выбраны те изобретения, которые описаны в нижеследующих документах.
В документе US8689909B2, опубликованном 8 апреля 2014 года, описана вставка для бурового инструмента, содержащая корпус и покрытие, расположенное вокруг по меньшей мере части указанного корпуса. Данное покрытие выполнено из керамики, содержащей бор, алюминий и магний. Поликристаллические режущие элементы могут включать твердый поликристаллический материал, поддерживающую подложку и покрытие, расположенное вокруг по меньшей мере части твердого поликристаллического материала. Буровое долото может содержать корпус долота и по меньшей мере один поликристаллический режущий элемент, прикрепленный к корпусу долота. Поликристаллический режущий элемент может содержать покрытие, выполненное из керамики, содержащей бор, алюминий и магний, и может быть расположено вокруг по меньшей мере части твердого поликристаллического материала. Также описан способ выполнения вставки для бурового инструмента, включающий выполнение защитного покрытия, состоящего из керамики, содержащей бор, алюминий и магний, вокруг режущего элемента.
В документе US8771391B2, опубликованном 4 июля 2014 года, описаны способы изготовления поликристаллической режущей вставки, в которых применяют по меньшей мере одну соль металла в качестве спекающей добавки. Такие способы могут включать выполнения смеси по меньшей мере одной соли металла и множества гранул твердого материала и спекание смеси для образования твердого поликристаллического материала.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предусматривает режущее устройство из поликристаллического алмаза и карбида с лучшей термостойкостью и способ его изготовления, для устранения недостатков технологий предыдущего уровня техники.
Решение, предоставляемое настоящим изобретением для устранения вышеописанных недостатков, включает карбидный субстрат и слой поликристаллического алмаза. Оно отличается тем, что, по меньшей мере, часть материала в указанном слое поликристаллического алмаза представляет собой один или более материалов из группы, состоящей из вольфрама, рения, хрома и титана, которые могут образовывать карбид путем реакции с алмазом и чей коэффициент теплового расширения близок к коэффициенту расширения алмаза. Указанную часть материала применяют в качестве связующего агента, и режущее устройство из поликристаллического алмаза и карбида получают путем спекания алмазного порошка при высоком давлении.
Согласно вышеуказанному решению, указанный слой поликристаллического алмаза (ПКА) может представлять собой один слой ПКА с одинаковым составом или может представлять собой два или более слоев с различными составами.
Согласно вышеуказанному решению указанный поверхностный слой ПКА содержит 30-70% по весу одного или более материалов из группы, состоящей из вольфрама, рения, хрома и титана.
Согласно вышеуказанному решению указанный переходной слой ПКА содержит 0-50% по весу одного или более материалов из группы, состоящей из вольфрама, рения, хрома и титана.
Согласно вышеуказанному решению указанный переходной слой ПКА содержит 0-50% по весу одного или более материалов из группы, состоящей из вольфрама, рения, хрома и титана.
Согласно вышеуказанному решению общая толщина слоя ПКА находится в диапазоне 0,5-6 мм.
Согласно вышеуказанному решению по меньшей мере часть алмазных частиц в поверхностном слое ПКА связаны друг с другом в форме алмаз-X карбид-X- X карбид-алмаз (X обозначает один или более материалов в группе, состоящей из вольфрама, рения, хрома и титана). Оставшийся алмаз достигает прямого связывания путем каталитического взаимодействия с кобальтом.
Согласно вышеуказанному решению указанный поверхностный слой ПКА может представлять собой лишь один слой или более слоев; указанный слой ПКА покрыт одной или более поверхностями карбидного субстрата.
Техническое решение, предусмотренное настоящим изобретением для изготовления режущего устройства из поликристаллического алмаза и карбида, включает: добавление заранее одного или более материалов из группы, состоящей из вольфрама, рения, хрома и титана, с различным составом в алмазный порошок , применение предварительно сформированного карбидного субстрата, объединение порошка с помощью механического сжатия статическим давлением, и применение составной формы для спекания в условиях высокой температуры и высокого давления для получения режущего устройства из поликристаллического алмаза и карбида. Температура спекания составляет 1300-1600℃, и давление спекания составляет 5-10 ГПа.
Согласно вышеописанному решению однослойную или многослойную структуру поверхностного слоя и переходного слоя ПКА образуют процессом подачи материала слой за слоем, но однократного спекания.
Согласно вышеописанному решению указанное время спекания при высокой температуре и высоком давлении составляет 0,5-30 минут.
Согласно вышеописанному решению указанную составную форму собирают с применением пирофиллита, проводящего стального кольца и деталей передачи давления.
Преимущества настоящего изобретения включают: 1. На основании принципа поломки из-за температуры ПКА-резцов настоящее изобретение применяет один или более материалов из группы, состоящей из вольфрама, рения, хрома и титана, в качестве связующего агента для замены части кобальта. Поскольку коэффициенты вольфрама, рения, хрома и титана все ниже, чем коэффициент кобальта, и ближе к коэффициенту алмаза и могут достигать лучшего соответствия с ним, разница расширения между поликристаллическим слоем и алмазом при расширении меньше вследствие теплового эффекта и, следовательно, повреждение из-за тепловых трещин в поликристаллическом слое значительно уменьшается; 2. Благодаря тому, что карбиды вольфрама, рения, хрома и титана не графитизируют алмаз под воздействием тепла, и это повышает термостойкость поликристаллического слоя. Чем выше содержание предварительно добавленного одного или более материалов из группы, состоящей из вольфрама, рения, хрома и титана, тем меньше кобальта, входящего в алмазный слой, и тем лучше термостойкость, но износостойкость при обычной температуре будет ниже. Следовательно, количество предварительно добавленного одного или более материалов из группы, состоящей из вольфрама, рения, хрома и титана, следует отрегулировать на основании конкретных приложений; 3. Поскольку однослойная или многослойная структура поверхностного слоя и переходного слоя ПКА может быть образована процессом подачи материала слой за слоем, но однократного спекания, на основании конкретного приложения, можно регулировать как износостойкость поликристаллического алмаза оригинальной кобальтовой системы, так и термостойкость системы настоящего изобретения.
Краткое описание графических материалов
Фиг. 1 - схематическое изображение, представляющее слоистую структуру согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - схематическое изображение, представляющее слоистую структуру согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть дополнительно представлено с помощью следующих вариантов осуществления.
Вариант осуществления 1: 1,2 грамма вольфрамового порошка со средним размером зерна 1,5 микрон добавляли к 1,8 грамма алмазного порошка с размером зерна 20 микрон. Смешанный порошок сначала растолкли в агатовой ступке в течение одного часа и затем высыпали в молибденовую чашу диаметром 20 мм, затем ввели в порошок карбидный субстрат с содержанием кобальта 13%, и затем покрыли другой молибденовой чашей поверх первой чаши для образования составной ячейки. Загрузили составную ячейку в кубический пресс и спекали в течение 10 минут при температуре 1500℃ и давлении 6 ГПа для образования полного ПКА-резца путем связывания вместе алмаза и карбидного субстрата, т.е. для образования поверхностного слоя алмаза на карбидном субстрате. Вынули резец и обработали его, превратив в цилиндрическое тело диаметром 19,05 мм и высотой 16 мм. Толщина поверхностного алмазного слоя составляла 2 мм, и фаска составляла 0,3×45°. Применяли завершенный резец для сверления определенного объема гранита, во время сверления водяное охлаждение не применялось, так что во время сверления температура являлась относительно высокой. Затем измерили изношенный вес и резца, и гранита, и вычислили относительный износ следующим образом. Относительный износ равняется отношению изношенного веса гранита к изношенному весу резца, и результат составляет 980 тысяч. Затем для сверления гранита применили ПКА-резец с тем же составом и той же обработкой, но с применением кобальта в качестве связывающего агента. Диаметр резца составлял 19,05 мм, высота составляла 16 мм, и толщина алмазного слоя составляла 2 мм. Полученный относительный износ составлял 500 тысяч. Очевидно, можно видеть, что производительность ПКА-резца согласно настоящему изобретению лучше, чем у резца, изготовленного с применением кобальта в качестве связывающего агента, во время работы в условиях высокой температуры или в условиях отсутствия охладителя.
Вариант осуществления 2: Способ обработки резца в основном такой же, как описан в Варианте осуществления 1, но составной алмазный слой содержит поверхностный слой поликристаллического алмаза и переходной слой поликристаллического алмаза, в которых поверхностный слой содержит 60% по весу алмазного микропорошка и 40% по весу вольфрамового порошка, тогда как переходный слой содержит только чистый алмазный порошок. Порошки загружали слой за слоем, и кобальт в карбидном субстрате проникал в чистую алмазную пудру переходного слоя, что приводило к связному соединению между алмазными микропорошками во время спекания, и, в то же время, поверхностный слой и переходной слой также спекались вместе как неразделимая часть. Толщина поверхностного слоя составляла 1 мм, и толщина переходного слоя также составляла 1 мм. Испытание сухим сверлением показало относительный износ этого резца, равный 850 тысяч, и это также лучше, чем у резца, в котором применен кобальт в качестве связующего агента.
Вариант осуществления 3: Способ обработки резца в основном такой же, как описан в Вариантах осуществления 1 и 2, но составной алмазный слой содержит поверхностный слой поликристаллического алмаза и переходной слой поликристаллического алмаза, разница состоит в том, что поверхностный слой содержит 53% по весу алмазного микропорошка и 47% по весу вольфрамового порошка, тогда как переходный слой содержит 62% по весу алмазного микропорошка и 38% по весу вольфрамового порошка. Алмазный поверхностный слой изначально покрыли вольфрамом, предотвращая повреждения алмаза при высокой температуре от теплового расширения кобальта и его обратного катализа и, следовательно, достигли прекрасной термостойкости. Испытание сухим сверлением показало относительный износ этого резца, равный 1,48 миллиона, и это в 2,4 раза лучше, чем у резца, изготовленного с применением кобальта в качестве связующего агента и, следовательно, можно ясно видеть, что резец, изготовленный на основании принципа настоящего изобретения, отличается прекрасной производительностью при высокой температуре.