6.1 Твердые сплавы

Основной задачей технолога является повышение производительности бурения и качества опробования. Большое влияние на выполнение этих задач оказывает выбор породоразрушающего инструмента в соответствии со свойствами горных пород. Для этого требуется тщательный анализ протекающих при бурении процессов и параметров породоразрушающего инстру­мента.

Прочность твердого сплава зависит от прочности хи­мических связей составляющих элементов. Наиболее прочными связями обладают поливалентные элементы второго периода, способные создавать двойные и тройные ионно-ковалентные связи: бориды, карбиды, нитриды, оксиды.

Карбиды (соединения углерода) широко применяют для получения твердых сплавов. Сама природа создала одно из таких соединений углерода - алмаз, самый твердый минерал. Применяющиеся в настоящее время истирающие материалы представ­лены в основном карбидами металлов (вольфрама, титана и др.). Резцы для твердосплавных коронок обычно получают из карбида вольфрама. Для связки его зерен используют кобальт, который одновременно с этим повышает вязкость твердого сплава. Для приготовления резцов твердосплавных коронок вращательного бурения обычно используют твердые сплавы марок ВК-8 и ВК-6 (вольфрамокобальтовые сплавы с содержанием кобальта 8 и 6 %). Чем больше кобальта, тем меньше твердость сплава, но больше его вязкость.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы по твердости зна­чительно уступают алмазам, они быстрее изнашиваются и выхо­дят из строя. Для повышения ресурса коронок ряд институтов в Москве, Санкт-Петербурге, Киеве ведут поиск более твердых сплавов.

Наиболее прочные соединения - соединения поливалент­ных элементов с малыми атомными радиусами (В, С, N):

ВС - 775 кДж/моль; BN - 830 кДж/моль; СС - 837 кДж/моль;

CN - 891 кДж/моль; NN - 946 кДж/моль.

Следовательно, энергия связи атомов зависит от их валент­ности (заряда). Соединения NN и CN - газы, остальные соедине­ния BN, ВС имеют менее прочные связи, чем алмаз, но близки по прочности.

Наиболее близок по прочности к алмазу сплав нитрида бо­ра. Как и алмаз, он имеет две модификации. Разработан он в ин­ституте физики твердых тел АН СССР в 1960 г. В Санкт-Петербурге он получил название эльбор (с микротвер­достью ~ 7000 кг/мм), в Киеве - под названием кубанит (с микро­твердостью 9250 кг/мм). Получают его в результате взаимодей­ствия ВС1₃ с NH₃:

ВС1₃ + NH₃ = BN + 3HC1

при давлении 70000 кг/см² и температуре 1500+1800 ° С.

Из оксидов и фторидов показывают высокую твер­дость ТhО₂ (энергия связи 866 кДж/моль), ТаО (энергия связи 811±42 кДж/моль), ZrO (753±42кДж/моль), TiF₂ (811±42 кДж/моль) и др.

Ведутся дальнейшие поиски сверхтвердых материалов.