I. Kodola materiāla sastāvs
1. Cietā fāze: volframa karbīds (WC)
- Proporciju diapazons70–95 %
- Galvenās īpašībasUzrāda īpaši augstu cietību un nodilumizturību, Vikersa cietība ≥1400 HV.
- Graudu lieluma ietekme:
- Rupja graudainība (3–8 μm)Augsta izturība un triecienizturība, piemērota veidojumiem ar granti vai cietiem starpslāņiem.
- Smalki/ultra smalki graudi (0,2–2 μm)Paaugstināta cietība un nodilumizturība, ideāli piemērota ļoti abrazīviem veidojumiem, piemēram, kvarca smilšakmenim.
2. Saistvielas fāze: kobalts (Co) vai niķelis (Ni)
- Proporciju diapazons5–30 %, darbojoties kā “metāliska līmviela”, lai savienotu volframa karbīda daļiņas un nodrošinātu izturību.
- Veidi un raksturojums:
- Uz kobalta bāzes (galvenā izvēle):
- Priekšrocības: Augsta izturība augstās temperatūrās, laba siltumvadītspēja un izcilas visaptverošas mehāniskās īpašības.
- Pielietojums: Lielākā daļa parasto un augstas temperatūras formāciju (kobalts saglabā stabilitāti zem 400°C).
- Niķeļa bāzes (īpašas prasības):
- Priekšrocības: Spēcīgāka izturība pret koroziju (izturīga pret H₂S, CO₂ un augsta sāļuma urbšanas šķidrumiem).
- Pielietojums: Skābās gāzes atradnes, jūras platformas un citas kodīgas vides.
- Uz kobalta bāzes (galvenā izvēle):
3. Piedevas (mikrolīmeņa optimizācija)
- Hroma karbīds (Cr₃C₂)Uzlabo oksidācijas izturību un samazina saistvielas fāzes zudumus augstas temperatūras apstākļos.
- Tantala karbīds (TaC)/niobija karbīds (NbC)Kavē graudu augšanu un uzlabo cietību augstā temperatūrā.
II. Volframa karbīda cietmetāla izvēles iemesli
| Veiktspēja | Priekšrocības apraksts |
|---|---|
| Nodilumizturība | Cietība ir otrajā vietā aiz dimanta, izturīga pret abrazīvu daļiņu, piemēram, kvarca smilšu, radītu eroziju (nodiluma ātrums 10+ reizes zemāks nekā tēraudam). |
| Triecienizturība | Kobalta/niķeļa saistvielas fāzes radītā izturība novērš fragmentāciju no vertikālām vibrācijām un urbja atlēcienu (īpaši rupjgraudainiem + augsta kobalta satura preparātiem). |
| Augstas temperatūras stabilitāte | Saglabā veiktspēju urbuma apakšējās daļas temperatūrā 300–500 °C (kobalta sakausējumu temperatūras ierobežojums ir ~500 °C). |
| Korozijas izturība | Niķeļa sakausējumi ir izturīgi pret koroziju no sēru saturošiem urbšanas šķidrumiem, pagarinot kalpošanas laiku skābā vidē. |
| Izmaksu efektivitāte | Daudz zemākas izmaksas nekā dimanta/kubiskajam bora nitrīdam, ar 20–50 reizes ilgāku kalpošanas laiku nekā tērauda sprauslām, piedāvājot optimālas kopējās priekšrocības. |
III. Salīdzinājums ar citiem materiāliem
| Materiāla veids | Trūkumi | Lietojumprogrammu scenāriji |
|---|---|---|
| Dimants (PCD/PDC) | Augsta trauslums, slikta triecienizturība; ārkārtīgi dārga (~100 reizes lielāka nekā volframa karbīdam). | Reti izmanto sprauslām; reizēm ārkārtīgi abrazīvās eksperimentālās vidēs. |
| Kubiskais bora nitrīds (PCBN) | Laba temperatūras izturība, bet zema stingrība; dārga. | Īpaši dziļi augstas temperatūras cietie veidojumi (ārpus galvenās plūsmas). |
| Keramika (Al2O3/Si3N4) | Augsta cietība, bet ievērojams trauslums; slikta izturība pret termisko triecienu. | Laboratorijas validācijas stadijā, vēl nav komerciāli izmantots. |
| Augstas stiprības tērauds | Nepietiekama nodilumizturība, īss kalpošanas laiks. | Zemas klases preces vai pagaidu alternatīvas. |
IV. Tehniskās attīstības virzieni
1. Materiālu optimizācija
- Nanokristāliskais volframa karbīdsGraudu izmērs <200 nm, cietība palielināta par 20 %, neapdraudot izturību (piemēram, Sandvik Hyperion™ sērija).
- Funkcionāli gradēta struktūraAugstas cietības smalkgraudains WC uz sprauslas virsmas, augstas izturības rupjgraudains + augsts kobalta saturs kodolā, līdzsvarojot nodilumizturību un lūzuma izturību.
2. Virsmas nostiprināšana
- Dimanta pārklājums (CVD)2–5 μm plēve palielina virsmas cietību līdz >6000 HV, pagarinot kalpošanas laiku 3–5 reizes (izmaksu pieaugums par 30 %).
- Lāzera apšuvumsWC-Co slāņi, kas nogulsnēti uz jutīgām sprauslu zonām, lai uzlabotu lokālu nodilumizturību.
3. Aditīvā ražošana
- 3D drukāts volframa karbīds: Nodrošina sarežģītu plūsmas kanālu (piemēram, Venturi struktūru) integrētu veidošanu, lai uzlabotu hidraulisko efektivitāti.
V. Galvenie materiālu izvēles faktori
| Darbības apstākļi | Materiālu ieteikums |
|---|---|
| Ļoti abrazīvi veidojumi | Smalki/ultra smalki graudains WC + vidēji zems kobalts (6–8%) |
| Triecieniem/vibrācijai pakļautās sekcijas | Rupjgraudains WC + augsts kobalta saturs (10–13%) vai gradēta struktūra |
| Skāba (H₂S/CO₂) vide | Niķeļa bāzes saistviela + Cr₃C₂ piedeva |
| Īpaši dziļas akas (>150°C) | Kobalta bāzes sakausējums + TaC/NbC piedevas (vājas augstas temperatūras izturības gadījumā izvairieties no niķeļa bāzes) |
| Izmaksu ziņā jutīgi projekti | Standarta vidēja grauda WC + 9% kobalta |
Secinājums
- Tirgus dominēšanaVolframa karbīda cietmetāls (WC-Co/WC-Ni) ir absolūti visvairāk izmantotais materiāls, kas veido vairāk nekā 95 % no pasaules urbju uzgaļu tirgiem.
- Veiktspējas kodolsPielāgošanās spēja dažādiem formācijas izaicinājumiem, pielāgojot WC graudu izmēru, kobalta/niķeļa attiecību un piedevas.
- NeaizvietojamībaJoprojām ir optimāls risinājums nodilumizturības, stingrības un izmaksu līdzsvarošanai, un jaunākās tehnoloģijas (nanokristalizācija, pārklājumi) vēl vairāk paplašina tā pielietojuma robežas.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 3. jūnijs
