Калжанова А.Б.
СТРУКТУРА АЛМАЗНЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ БУРОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ *
Аннотация:
в статье рассматриваются научные основы формирования структуры композиционных алмазосодержащих материалов, предназначенных для изготовления буровых инструментов, работающих в условиях повышенных механических и термических нагрузок.
Ключевые слова:
композиционные материалы, буровые инструменты, горячее прессование, алмазная матрица, износостойкость
DOI 10.24412/2712-8849-2025-687-2285-2301
Введение. Современные технологии бурения требуют применения инструментов с высокой износостойкостью и прочностью, особенно при разработке твердых и абразивных горных пород. В связи с этим особую актуальность приобретают композиционные алмазосодержащие материалы, которые объединяют уникальные свойства алмаза — высочайшую твёрдость и термическую проводимость — с прочностными характеристиками металлической или керамической матрицы. [1-27]. Повышение эффективности буровых инструментов напрямую зависит от совершенствования их конструктивных элементов, в том числе от оптимизации структуры композиционных материалов, используемых в их изготовлении. Настоящая работа посвящена научному обоснованию принципов формирования структуры таких материалов с целью обеспечения их максимальных прочностных характеристик [28-43].Теоретические основы формирования композиционных алмазосодержащих материалов.Композиционные материалы, применяемые в буровом инструменте, представляют собой сочетание сверхтвердых частиц (природных или синтетических алмазов) и металлической или керамической связки, играющей роль матрицы. Основной задачей при разработке таких материалов является достижение оптимального сочетания прочности, термостойкости и износостойкости.Алмаз, как основной упрочняющий компонент, подвержен термическому разрушению при температурах выше 800–900 °C в окислительной среде. Поэтому подбор матрицы, обеспечивающей термостабильность и минимизирующей взаимодействие с алмазом, является ключевым аспектом. Наиболее перспективными являются связки на основе кобальта, никеля, железа, а также интерметаллических соединений и карбидов [44-53].Критическое значение имеют:Размер и распределение алмазных частиц. Оптимально дисперсное распределение частиц позволяет достичь равномерного напряжённого состояния в материале.Плотность и пористость материала. Минимизация пористости способствует увеличению прочности и термостойкости.Природа интерфейса "алмаз–матрица". Для улучшения адгезии применяются поверхностные модификации алмаза (например, нанесение металлических покрытий — титан, хром, молибден и др.).Методы формирования и исследование структуры.Формирование композиционных алмазосодержащих материалов осуществляется с использованием таких технологий, как: Горячее прессование (Hot Pressing), Высокотемпературное спекание под давлением (HPHT), Искровое плазменное спекание (SPS).Эти методы позволяют обеспечить плотное спекание без разрушения алмазной фазы. Контроль микроструктуры осуществляется с помощью электронной микроскопии (SEM, TEM), рентгеноструктурного анализа (XRD), а также методами термического анализа (DTA, TGA).Формируемая структура напрямую влияет на механические свойства: прочность при изгибе, микротвёрдость, стойкость к трещинообразованию. Современные исследования показывают, что введение наномодифицированных компонентов (например, графена, нанокарбидов) дополнительно повышает прочность и износостойкость композита [54-98].Свойства и применение в буровых инструментах.Наиболее важные характеристики для буровых вставок: Прочность на изгиб> 1000 МПа, Микротвёрдость> 25 ГПа, Устойчивость к термошоку, Стабильность при многократных циклах нагрузки.Композиционные материалы с оптимизированной структурой применяются в качестве режущих элементов буров PDC (Polycrystalline Diamond Compact), а также в коронках и шарошках. Практическое применение показывает, что срок службы инструмента с подобными вставками увеличивается в 1,5–2 раза по сравнению с традиционными материалами.Заключение.Разработка и научное обоснование формирования структуры композиционных алмазосодержащих материалов являются важным направлением в области повышения эффективности буровых инструментов. Достижение высоких прочностных характеристик возможно за счёт оптимизации состава, технологии спекания и межфазных взаимодействий. Применение передовых методов анализа и модификации компонентов позволяет создавать материалы, способные работать в экстремальных условиях и обеспечивать надёжную и долговечную эксплуатацию бурового оборудования.
Номер журнала Вестник науки №6 (87) том 1
Ссылка для цитирования:
Калжанова А.Б. СТРУКТУРА АЛМАЗНЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ БУРОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ // Вестник науки №6 (87) том 1. С. 2285 - 2301. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23854 (дата обращения: 09.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+