การสวมใส่เพื่อความร้อนและการกำจัดโคบอลต์ของ PDC

I. การสวมใส่เพื่อทนความร้อนและการกำจัดโคบอลต์ของ PDC

ในกระบวนการเผาผนึกแรงดันสูงของ PDC โคบอลต์ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อส่งเสริมการรวมตัวโดยตรงของเพชรและเพชร และทำให้ชั้นเพชรและเมทริกซ์คาร์ไบด์ทังสเตนกลายเป็นหนึ่งเดียว ส่งผลให้ฟันตัด PDC เหมาะสำหรับการขุดเจาะทางธรณีวิทยาในแหล่งน้ำมันที่มีความเหนียวสูงและทนต่อการสึกหรอได้ดีเยี่ยม

ความต้านทานความร้อนของเพชรค่อนข้างจำกัด ภายใต้ความดันบรรยากาศ พื้นผิวของเพชรสามารถเปลี่ยนแปลงได้ที่อุณหภูมิประมาณ 900°C หรือสูงกว่า ในระหว่างการใช้งาน PDC แบบดั้งเดิมมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิประมาณ 750°C เมื่อเจาะผ่านชั้นหินแข็งและหินขัด PDC สามารถไปถึงอุณหภูมินี้ได้อย่างง่ายดายเนื่องจากความร้อนจากแรงเสียดทาน และอุณหภูมิในขณะนั้น (เช่น อุณหภูมิเฉพาะที่ในระดับจุลภาค) อาจสูงขึ้นไปอีก ซึ่งสูงกว่าจุดหลอมเหลวของโคบอลต์ (1495°C) มาก

เมื่อเทียบกับเพชรบริสุทธิ์ เพชรจะเปลี่ยนเป็นกราไฟต์ที่อุณหภูมิต่ำกว่าเนื่องจากมีโคบอลต์ ส่งผลให้การสึกหรอของเพชรเกิดจากการเกิดกราไฟต์ซึ่งเกิดจากความร้อนจากแรงเสียดทาน นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของโคบอลต์ยังสูงกว่าเพชรมาก ดังนั้นในระหว่างการให้ความร้อน พันธะระหว่างเม็ดเพชรจึงอาจถูกทำลายโดยการขยายตัวของโคบอลต์

ในปี พ.ศ. 2526 นักวิจัยสองคนได้ทำการกำจัดเพชรบนพื้นผิวของชั้นเพชร PDC มาตรฐาน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของฟัน PDC ได้อย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม สิ่งประดิษฐ์นี้ไม่ได้รับความสนใจเท่าที่ควร จนกระทั่งหลังปี พ.ศ. 2543 ด้วยความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับชั้นเพชร PDC ผู้ผลิตดอกสว่านจึงเริ่มนำเทคโนโลยีนี้มาใช้กับฟัน PDC ที่ใช้ในการเจาะหิน ฟันที่ผ่านการบำบัดด้วยวิธีนี้เหมาะสำหรับโครงสร้างที่มีการเสียดสีสูงซึ่งมีการสึกหรอเชิงกลจากความร้อนสูง และมักเรียกกันว่าฟัน "de-cobalted"

กระบวนการที่เรียกว่า “ดีโคบอลต์” นี้ผลิตขึ้นตามวิธีการดั้งเดิมสำหรับการผลิต PDC จากนั้นพื้นผิวของชั้นเพชรจะถูกจุ่มลงในกรดเข้มข้นเพื่อกำจัดเฟสโคบอลต์ผ่านกระบวนการกัดกรด ความลึกในการกำจัดโคบอลต์อาจสูงถึงประมาณ 200 ไมครอน

มีการทดสอบการสึกหรอแบบใช้งานหนักกับฟัน PDC ที่เหมือนกันสองซี่ (ซี่หนึ่งได้รับการกำจัดโคบอลต์บนพื้นผิวชั้นเพชร) หลังจากตัดหินแกรนิต 5,000 เมตร พบว่าอัตราการสึกหรอของ PDC ที่ไม่ได้กำจัดโคบอลต์เริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในทางตรงกันข้าม PDC ที่ถูกกำจัดโคบอลต์ยังคงรักษาความเร็วในการตัดที่ค่อนข้างคงที่ในขณะที่ตัดหินประมาณ 15,000 เมตร

2. วิธีการตรวจจับ PDC

มีวิธีการตรวจจับฟัน PDC อยู่ 2 วิธี คือ การทดสอบแบบทำลายล้าง และการทดสอบแบบไม่ทำลายล้าง

1. การทดสอบแบบทำลายล้าง

การทดสอบเหล่านี้มีวัตถุประสงค์เพื่อจำลองสภาพภายในหลุมเจาะให้สมจริงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อประเมินประสิทธิภาพของฟันตัดภายใต้สภาพดังกล่าว การทดสอบแบบทำลายมีสองรูปแบบหลัก ได้แก่ การทดสอบความต้านทานการสึกหรอและการทดสอบความต้านทานแรงกระแทก

(1) การทดสอบความต้านทานการสึกหรอ

อุปกรณ์สามประเภทที่ใช้ในการทดสอบความต้านทานการสึกหรอของ PDC:

ก. เครื่องกลึงแนวตั้ง (VTL)

ระหว่างการทดสอบ ให้ยึดดอกสว่าน PDC เข้ากับเครื่องกลึง VTL ก่อน แล้ววางตัวอย่างหิน (โดยปกติคือหินแกรนิต) ไว้ข้างๆ ดอกสว่าน PDC จากนั้นหมุนตัวอย่างหินรอบแกนเครื่องกลึงด้วยความเร็วที่กำหนด ดอกสว่าน PDC จะตัดเข้าไปในตัวอย่างหินตามความลึกที่กำหนด เมื่อใช้หินแกรนิตในการทดสอบ ความลึกในการตัดโดยทั่วไปจะน้อยกว่า 1 มม. การทดสอบนี้สามารถทดสอบได้ทั้งแบบแห้งและแบบเปียก ใน "การทดสอบ VTL แบบแห้ง" เมื่อดอกสว่าน PDC ตัดผ่านหิน จะไม่มีการระบายความร้อน ความร้อนจากแรงเสียดทานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจะเข้าสู่ PDC เร่งกระบวนการกราไฟต์ของเพชร วิธีการทดสอบนี้ให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมเมื่อประเมินดอกสว่าน PDC ภายใต้สภาวะที่ต้องใช้แรงเจาะสูงหรือความเร็วในการหมุนสูง

“การทดสอบ VTL แบบเปียก” ตรวจจับอายุการใช้งานของ PDC ภายใต้สภาวะความร้อนปานกลางโดยการทำให้ฟัน PDC เย็นลงด้วยน้ำหรืออากาศระหว่างการทดสอบ ดังนั้น สาเหตุหลักของการสึกหรอในการทดสอบนี้จึงมาจากการบดของตัวอย่างหิน มากกว่าปัจจัยความร้อน

B. เครื่องกลึงแนวนอน

การทดสอบนี้ดำเนินการกับหินแกรนิตเช่นกัน โดยมีหลักการพื้นฐานเหมือนกับการทดสอบแบบ VTL เวลาในการทดสอบเพียงไม่กี่นาที และแรงกระแทกจากความร้อนระหว่างหินแกรนิตและฟัน PDC นั้นมีจำกัดมาก

พารามิเตอร์การทดสอบหินแกรนิตที่ซัพพลายเออร์อุปกรณ์ PDC ใช้จะแตกต่างกันไป ตัวอย่างเช่น พารามิเตอร์การทดสอบที่ Synthetic Corporation และ DI Company ในสหรัฐอเมริกาใช้นั้นไม่เหมือนกันเสียทีเดียว แต่ใช้วัสดุหินแกรนิตชนิดเดียวกันในการทดสอบ ซึ่งก็คือหินอัคนีโพลีคริสตัลไลน์เกรดหยาบถึงปานกลางที่มีรูพรุนน้อยมากและมีกำลังอัด 190 เมกะปาสคาล

C. เครื่องมือวัดอัตราส่วนการเสียดสี

ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ชั้นเพชรของ PDC จะถูกใช้ในการตัดแต่งล้อเจียรซิลิกอนคาร์ไบด์ และอัตราส่วนระหว่างอัตราการสึกหรอของล้อเจียรและอัตราการสึกหรอของ PDC จะถูกนำมาใช้เป็นดัชนีการสึกหรอของ PDC ซึ่งเรียกว่าอัตราส่วนการสึกหรอ

(2) การทดสอบความต้านทานแรงกระแทก

วิธีการทดสอบแรงกระแทกประกอบด้วยการติดตั้งฟัน PDC ที่มุม 15-25 องศา แล้วปล่อยวัตถุจากความสูงที่กำหนดเพื่อให้กระทบชั้นเพชรบนฟัน PDC ในแนวตั้ง น้ำหนักและความสูงของวัตถุที่ตกลงมาบ่งบอกถึงระดับพลังงานแรงกระแทกที่ฟันทดสอบได้รับ ซึ่งสามารถเพิ่มขึ้นทีละน้อยได้ถึง 100 จูล ฟันแต่ละซี่สามารถถูกกระแทกได้ 3-7 ครั้งจนกว่าจะไม่สามารถทดสอบต่อไปได้ โดยทั่วไปจะมีการทดสอบตัวอย่างฟันแต่ละประเภทอย่างน้อย 10 ชิ้นในแต่ละระดับพลังงาน เนื่องจากความต้านทานแรงกระแทกของฟันมีช่วงที่แตกต่างกัน ผลการทดสอบในแต่ละระดับพลังงานจึงเป็นค่าเฉลี่ยของพื้นที่การแตกของเพชรหลังจากการกระแทกสำหรับแต่ละซี่

2. การทดสอบแบบไม่ทำลาย

เทคนิคการทดสอบแบบไม่ทำลายที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด (นอกเหนือจากการตรวจสอบด้วยสายตาและกล้องจุลทรรศน์) คือ การสแกนอัลตราโซนิก (Cscan)

เทคโนโลยีการสแกนแบบ C สามารถตรวจจับข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ และระบุตำแหน่งและขนาดของข้อบกพร่องได้ เมื่อทำการทดสอบนี้ ให้วางฟัน PDC ลงในถังน้ำก่อน จากนั้นจึงสแกนด้วยหัววัดอัลตราโซนิก

บทความนี้พิมพ์ซ้ำจาก “เครือข่ายโลหะการระหว่างประเทศ-