PDC의 열마모 및 코발트 제거

I. PDC의 열마모 및 코발트 제거

PDC의 고압소결 공정에서 코발트는 촉매로 작용하여 다이아몬드와 다이아몬드의 직접 결합을 촉진하고 다이아몬드 층과 텅스텐 카바이드 매트릭스가 일체화되어 높은 인성과 우수한 내마모성을 갖춘 유전 지질 굴착에 적합한 PDC 절삭날을 생성합니다.

다이아몬드의 내열성은 매우 제한적입니다. 대기압 하에서 다이아몬드 표면은 약 900°C 이상의 온도에서 변형될 수 있습니다. 기존의 PDC는 사용 중 약 750°C에서 열화되는 경향이 있습니다. 단단하고 연마성이 있는 암석층을 시추할 때 PDC는 마찰열로 인해 이 온도에 쉽게 도달할 수 있으며, 순간 온도(즉, 미시적인 수준의 국소 온도)는 코발트의 녹는점(1495°C)을 훨씬 초과할 수 있습니다.

순수한 다이아몬드와 비교했을 때, 다이아몬드는 코발트의 존재로 인해 낮은 온도에서 흑연으로 변합니다. 결과적으로, 다이아몬드는 국부적인 마찰열에 의한 흑연화로 인해 마모됩니다. 또한, 코발트의 열팽창 계수는 다이아몬드보다 훨씬 크기 때문에 가열 시 코발트의 팽창으로 인해 다이아몬드 입자 간의 결합이 파괴될 수 있습니다.

1983년, 두 명의 연구원이 표준 PDC 다이아몬드층 표면에 다이아몬드 제거 처리를 수행하여 PDC 톱니의 성능을 크게 향상시켰습니다. 그러나 이 발명은 마땅히 받아야 할 주목을 받지 못했습니다. 2000년 이후에야 PDC 다이아몬드층에 대한 이해가 깊어지면서 드릴 공급업체들이 암반 드릴링에 사용되는 PDC 톱니에 이 기술을 적용하기 시작했습니다. 이 방법으로 처리된 톱니는 상당한 열 기계적 마모가 발생하는 고연마성 지층에 적합하며, 일반적으로 "코발트 제거된" 톱니라고 합니다.

소위 "디코발트(de-cobalt)"는 PDC를 만드는 전통적인 방식으로 진행되며, 다이아몬드 층 표면을 강산에 담가 산 에칭 공정을 통해 코발트 상을 제거합니다. 코발트 제거 깊이는 약 200마이크론에 달할 수 있습니다.

두 개의 동일한 PDC 톱니(하나는 다이아몬드 층 표면에 코발트 제거 처리를 한 상태)에 대해 고강도 마모 시험을 수행했습니다. 5,000m의 화강암을 절삭한 후, 코발트를 제거하지 않은 PDC의 마모율이 급격히 증가하기 시작했습니다. 반면, 코발트를 제거한 PDC는 약 15,000m의 암석을 절삭하는 동안 비교적 안정적인 절삭 속도를 유지했습니다.

2. PDC 검출 방법

PDC 치아를 검출하는 방법에는 파괴 검사와 비파괴 검사의 두 가지가 있습니다.

1. 파괴 검사

이러한 시험은 시추공 조건을 최대한 현실적으로 시뮬레이션하여 해당 조건에서 절삭날의 성능을 평가하기 위한 것입니다. 파괴 시험의 두 가지 주요 유형은 내마모성 시험과 내충격성 시험입니다.

(1) 내마모성 시험

PDC 마모 저항성 테스트를 수행하는 데는 세 가지 유형의 장비가 사용됩니다.

A. 수직선반(VTL)

시험 중에는 먼저 PDC 비트를 VTL 선반에 고정하고 암석 샘플(보통 화강암)을 PDC 비트 옆에 놓습니다. 그런 다음 암석 샘플을 선반 축을 중심으로 일정 속도로 회전시킵니다. PDC 비트는 암석 샘플을 특정 깊이로 절단합니다. 화강암을 시험에 사용하는 경우, 절단 깊이는 일반적으로 1mm 미만입니다. 이 시험은 건식 또는 습식으로 실시할 수 있습니다. "건식 VTL 시험"에서는 PDC 비트가 암석을 절단할 때 냉각이 적용되지 않습니다. 생성된 모든 마찰열이 PDC로 유입되어 다이아몬드의 흑연화 과정을 가속화합니다. 이 시험 방법은 높은 드릴링 압력이나 높은 회전 속도가 필요한 조건에서 PDC 비트를 평가할 때 탁월한 결과를 제공합니다.

"습식 VTL 시험"은 시험 중 물이나 공기로 PDC 치형을 냉각하여 적당한 가열 조건에서 PDC의 수명을 측정합니다. 따라서 이 시험의 주요 마모 원인은 가열 인자가 아닌 암석 샘플의 마모입니다.

B, 수평 선반

이 시험 역시 화강암을 사용하여 수행되며, 시험 원리는 VTL 시험과 기본적으로 동일합니다. 시험 시간은 몇 분에 불과하며, 화강암과 PDC 치아 사이의 열충격은 매우 제한적입니다.

PDC 기어 공급업체에서 사용하는 화강암 시험 변수는 다양합니다. 예를 들어, 미국의 Synthetic Corporation과 DI Company에서 사용하는 시험 변수는 완전히 동일하지는 않지만, 두 회사 모두 동일한 화강암 재료를 사용합니다. 화강암 재료는 조립도에서 중도의 다결정 화성암으로, 공극률이 매우 낮고 압축 강도가 190MPa입니다.

C. 마모율 측정기

지정된 조건 하에서 PDC의 다이아몬드 층을 사용하여 실리콘 카바이드 연삭 휠을 트리밍하고 연삭 휠의 마모율과 PDC의 마모율의 비율을 PDC의 마모 지수로 취하는데, 이를 마모율이라고 합니다.

(2) 충격저항성 시험

충격 시험 방법은 PDC 톱니를 15~25도 각도로 설치한 후, 일정 높이에서 물체를 떨어뜨려 PDC 톱니의 다이아몬드 층에 수직으로 충돌시키는 것입니다. 낙하하는 물체의 무게와 높이는 시험 톱니가 받는 충격 에너지 수준을 나타내며, 이 에너지는 점차 증가하여 최대 100줄까지 증가합니다. 각 톱니는 더 이상 시험할 수 없을 때까지 3~7회 충격을 받을 수 있습니다. 일반적으로 각 유형의 톱니에 대해 각 에너지 수준에서 최소 10개의 샘플을 시험합니다. 톱니의 충격 저항에는 차이가 있으므로, 각 에너지 수준에서의 시험 결과는 각 톱니의 충격 후 다이아몬드 박리 면적의 평균값입니다.

2. 비파괴 검사

가장 널리 사용되는 비파괴 검사 기술(시각적 검사 및 현미경 검사 제외)은 초음파 스캐닝(Cscan)입니다.

C 스캐닝 기술은 작은 결함을 감지하고 결함의 위치와 크기를 파악할 수 있습니다. 이 검사를 수행할 때는 먼저 PDC 치아를 물탱크에 넣은 후 초음파 프로브로 스캔합니다.

이 기사는 "국제 금속 가공 네트워크“