I. Põhimaterjali koostis
1. Kõva faas: volframkarbiid (WC)
- Proportsioonivahemik70–95%
- Peamised omadused: Omab ülikõrget kõvadust ja kulumiskindlust, Vickersi kõvadusega ≥1400 HV.
- Teravilja suuruse mõju:
- Jämedateraline (3–8 μm)Suur sitkus ja löögikindlus, sobib kruusa või kõvade vahekihtidega formatsioonide jaoks.
- Peen-/ülipeen tera (0,2–2 μm)Suurem kõvadus ja kulumiskindlus, ideaalne väga abrasiivsete moodustiste, näiteks kvartsliivakivi jaoks.
2. Sideaine faas: koobalt (Co) või nikkel (Ni)
- Proportsioonivahemik5–30%, toimides „metallilise liimina“, mis seob volframkarbiidi osakesi ja tagab sitkuse.
- Tüübid ja omadused:
- Koobaltil põhinev (tavapärane valik):
- Eelised: Suur tugevus kõrgetel temperatuuridel, hea soojusjuhtivus ja suurepärased mehaanilised omadused.
- Kasutamine: Enamik tavapäraseid ja kõrge temperatuuriga formatsioone (koobalt püsib stabiilsena alla 400 °C).
- Niklipõhine (erinõuded):
- Eelised: Tugevam korrosioonikindlus (vastupidav H₂S-ile, CO₂-le ja kõrge soolsusega puurimisvedelikele).
- Kasutamine: happelise gaasi väljad, avamereplatvormid ja muud söövitavad keskkonnad.
- Koobaltil põhinev (tavapärane valik):
3. Lisandid (mikrotasandi optimeerimine)
- Kroomkarbiid (Cr₃C₂)Parandab oksüdatsioonikindlust ja vähendab sideaine faasi kadu kõrgetel temperatuuridel.
- Tantaalkarbiid (TaC)/nioobiumkarbiid (NbC)Pärsib terade kasvu ja suurendab kõvadust kõrgel temperatuuril.
II. Volframkarbiidi kõvametalli valimise põhjused
| Jõudlus | Eelise kirjeldus |
|---|---|
| Kulumiskindlus | Kõvaduselt teine ainult teemandi järel, vastupidav abrasiivsete osakeste, näiteks kvartsliiva, põhjustatud erosioonile (kulumiskiirus 10+ korda madalam kui terasel). |
| Löögikindlus | Kobalti/nikli sideaine faasist tulenev sitkus hoiab ära killustumise puuraugu vibratsiooni ja freesi põrke tõttu (eriti jämedateralise + kõrge koobaltisisaldusega koostiste puhul). |
| Kõrge temperatuuri stabiilsus | Säilitab jõudluse puuraugu põhjatemperatuuridel 300–500 °C (koobaltil põhinevate sulamite temperatuuripiirang on ~500 °C). |
| Korrosioonikindlus | Niklipõhised sulamid on vastupidavad väävlit sisaldavate puurimisvedelike korrosioonile, pikendades kasutusiga happelises keskkonnas. |
| Kulutõhusus | Palju odavam kui teemant/kuubiline boornitriidil, kasutusiga 20–50 korda suurem kui terasest düüsidel, pakkudes optimaalseid üldisi eeliseid. |
III. Võrdlus teiste materjalidega
| Materjali tüüp | Puudused | Rakendusstsenaariumid |
|---|---|---|
| Teemant (PCD/PDC) | Suur rabedus, halb löögikindlus; äärmiselt kulukas (~100 korda suurem kui volframkarbiidil). | Kasutatakse harva düüside jaoks; aeg-ajalt äärmuslikes abrasiivsetes katsekeskkondades. |
| Kuubiline boornitriid (PCBN) | Hea temperatuuritaluvus, kuid madal sitkus; kallis. | Ülisügavad kõrgel temperatuuril kõvad moodustised (mitte peavoolu). |
| Keraamika (Al2O3/Si3N4) | Suur kõvadus, kuid märkimisväärne rabedus; halb termiline löögikindlus. | Laboratoorse valideerimise etapis, kaubanduslikku ulatust veel ei ole. |
| ülitugev teras | Ebapiisav kulumiskindlus, lühike kasutusiga. | Odavamad asjad või ajutised alternatiivid. |
IV. Tehnilise arengu suunad
1. Materjali optimeerimine
- Nanokristalliline volframkarbiidTerasuurus <200 nm, kõvadus suurenenud 20% ilma sitkust kahjustamata (nt Sandvik Hyperion™ seeria).
- Funktsionaalselt astmeline struktuurDüüsi pinnal on suure kõvadusega peeneteraline WC, suure sitkusega jämedateraline + kõrge koobaltisisaldusega südamik, mis tasakaalustab kulumis- ja purunemiskindlust.
2. Pinna tugevdamine
- Teemantkate (CVD)2–5 μm kile suurendab pinna kõvadust >6000 HV-ni, pikendades eluiga 3–5 korda (30% kulude kasv).
- LaserkattegaWC-Co kihid, mis on sadestatud düüsi tundlikele aladele, et suurendada lokaalset kulumiskindlust.
3. Lisandite tootmine
- 3D-prinditud volframkarbiidVõimaldab keerukate voolukanalite (nt Venturi struktuuride) integreeritud moodustamist hüdraulilise efektiivsuse parandamiseks.
V. Materjali valiku põhitegurid
| Töötingimused | Materjali soovitus |
|---|---|
| Väga abrasiivsed moodustised | Peene-/ülipeeneteraline WC + keskmise-madala koobaltisisaldusega (6–8%) |
| Löögi-/vibratsioonile kalduvad sektsioonid | Jämedateraline WC + kõrge koobaltisisaldusega (10–13%) või astmeline struktuur |
| Happeline (H₂S/CO₂) keskkond | Niklipõhine sideaine + Cr₃C₂ lisand |
| Ülisügavad puurkaevud (>150°C) | Koobaltil põhinev sulam + TaC/NbC lisandid (nõrga kõrge temperatuuritugevuse tõttu tuleks vältida niklil põhinevaid) |
| Kulutundlikud projektid | Standardne keskmiseteraline WC + 9% koobaltit |
Kokkuvõte
- Turu domineerimineVolframkarbiidist kõvametall (WC-Co/WC-Ni) on absoluutne peavool, moodustades üle 95% ülemaailmsetest puuriterade otsikute turgudest.
- JõudluspõhimõttedKohandumine erinevate formatsiooniprobleemidega WC terasuuruse, koobalti/nikli suhte ja lisandite kohandamise kaudu.
- AsendamatusJääb optimaalseks lahenduseks kulumiskindluse, sitkuse ja hinna tasakaalustamiseks ning tipptehnoloogiad (nanokristalliseerimine, katted) laiendavad selle rakendusala veelgi.
Postituse aeg: 03.06.2025
