I. تكوين المواد الأساسية
1المرحلة الصلبة: كربيد التنغستن (WC)
- نطاق النسبة: 70 ٪ 95٪
- الخصائص الرئيسية: يظهر صلابة عالية للغاية ومقاومة للاستعمال ، مع صلابة فيكرز ≥ 1400 HV.
- تأثير حجم الحبوب:
- الحبوب الخشنة (38μm): صلابة عالية ومقاومة للصدمات، مناسبة للتشكيلات مع الحصى أو الطبقات الصلبة.
- الحبوب الدقيقة/المتناهية الدقة (0.2μm): تعزيز صلابة ومقاومة للاستعمال، مثالية للتشكيلات الحادة للغاية مثل الرمل الكوارتز.
2مرحلة الصلة: الكوبالت (Co) أو النيكل (Ni)
- نطاق النسبة: 5 ٪ 30 ٪ ، تعمل كـ طابقة معدنية لتوصيل جزيئات كربيد التفنجامين وتوفير صلابة.
- الأنواع والخصائص:
- على أساس الكوبالت (الاختيار الرئيسي):
- المزايا: قوة عالية عند درجات حرارة عالية، وقابلية جيدة للقيادة الحرارية، وخصائص ميكانيكية شاملة متفوقة.
- التطبيق: معظم التكوينات التقليدية وذات درجات الحرارة العالية (يبقى الكوبالت مستقراً تحت 400 درجة مئوية).
- على أساس النيكل (المتطلبات الخاصة):
- المزايا: مقاومة قوية للتآكل (مقاومة لـ H2S و CO2 وسوائل الحفر عالية الملوحة).
- التطبيق: حقول الغاز الحمضية، منصات البحر، وغيرها من البيئات المعطرة.
- على أساس الكوبالت (الاختيار الرئيسي):
3المواد الإضافية (التحسين على المستوى الدقيق)
- كربيد الكروم (Cr3C2): يحسن مقاومة الأكسدة ويقلل من فقدان مرحلة الصلة تحت ظروف درجة حرارة عالية.
- كربيد التنتال (TaC) / كربيد النيوبيوم (NbC): يمنع نمو الحبوب ويزيد من صلابة الحرارة العالية
II. أسباب اختيار الكربيد التونغستيني
| الأداء | وصف الميزة |
|---|---|
| المقاومة للارتداء | صلابة ثاني فقط إلى الماس، مقاومة للتآكل من قبل الجسيمات الحادة مثل الرمال الكوارتز (معدل ارتداء أقل من الصلب 10 + مرات). |
| مقاومة الصدمة | صلابة من كوبالت / نيكل مرحلة رابطة يمنع التجزئة من اهتزازات الحفرة السفلية والانعكاس قليلا (وخاصة الحبوب الخام + صيغ كوبالت عالية). |
| الاستقرار في درجات الحرارة العالية | يحافظ على أدائه عند درجات حرارة الحفرة السفلية من 300-500 درجة مئوية (السبائك القائمة على الكوبالت لديها حد درجة حرارة من ~ 500 درجة مئوية). |
| مقاومة التآكل | تتحمل سبائك النيكل مقاومة التآكل من سوائل الحفر التي تحتوي على الكبريت ، مما يطيل عمر الخدمة في البيئات الحمضية. |
| كفاءة التكلفة | تكلفة أقل بكثير من الماس / نتريد البور المكعب ، مع عمر خدمة 20 ٪ 50 مرة من فوهات الصلب ، مما يوفر فوائد شاملة مثالية. |
III. المقارنة مع المواد الأخرى
| نوع المادة | العيوب | سيناريوهات التطبيق |
|---|---|---|
| الماس (PCD/PDC) | هشاشة عالية ، مقاومة ضعف للصدمات ؛ مكلفة للغاية (~ 100 مرة من كربيد التنغستن). | نادرًا ما تستخدم في الفوهات ، أحيانًا في البيئات التجريبية القاسية. |
| نتريد البور الكوبي (PCBN) | مقاومة درجة حرارة جيدة ولكن صلابة منخفضة؛ مكلفة. | تشكيلات صلبة عالية درجة حرارة عميقة للغاية (غير السائدة). |
| السيراميك (Al2O3/Si3N4) | صلابة عالية ولكن هشاشة كبيرة؛ ضعف مقاومة الصدمات الحرارية. | في مرحلة التحقق من صحة المختبر، لم يتم تطبيقها في التجارة بعد. |
| الفولاذ ذو القوة العالية | عدم كفاية مقاومة الارتداء، حياة خدمة قصيرة. | أجزاء منخفضة الجودة أو بدائل مؤقتة |
IV - اتجاهات التطور التقني
1تحسين المواد
- كربيد التونغستين النانوكريستالي: حجم الحبوب < 200nm ، وزيادة الصلابة بنسبة 20٪ دون المساس بالصلابة (على سبيل المثال ، سلسلة Sandvik Hyperion TM).
- الهيكل المتدرج وظيفيا: صلابة عالية الحبوب الدقيقة على سطح الفوهة، صلابة عالية الحبوب الخام + القلب الكوبالت عالية، وتوازن ارتداء ومقاومة الكسر.
2تعزيز السطح
- طلاء الألماس (CVD): يزيد فيلم 2 ′′5μm من صلابة السطح إلى > 6000 HV ، مما يطيل العمر بمقدار 3 ′′5x (زيادة في التكلفة بنسبة 30٪).
- التغطية بالليزر: طبقات WC-Co التي يتم إيداعها على المناطق الضعيفة للفوهة لتعزيز مقاومة الارتداء المحلية.
3التصنيع الإضافي
- كربيد التونغستين المطبوع على شكل ثلاثي الأبعاد: يسمح بتشكيل مركب لقنوات التدفق المعقدة (على سبيل المثال، هياكل فنتوري) لتحسين الكفاءة الهيدروليكية.
V. العوامل الرئيسية لاختيار المواد
| ظروف التشغيل | توصية المواد |
|---|---|
| تشكيلات شديدة الهشاش | غاز الكوبالت الدقيق / الدقيق للغاية + الكوبالت المتوسط المنخفض (6 ٪) |
| الأقسام المعرضة للصدمة / الاهتزاز | WC ذات الحبوب الخام + كوبالت عالية (10 ٪ ٪) أو بنية تصنيفية |
| البيئات الحمضية (H2S/CO2) | مواد ربط على أساس النيكل + إضافة Cr3C2 |
| الآبار العميقة للغاية (> 150 درجة مئوية) | سبيكة على أساس الكوبالت + إضافات TaC / NbC (تجنب النيكل على أساس قوة عالية درجة الحرارة الضعيفة) |
| المشاريع الحساسة للتكاليف | WC القياسية ذات الحبوب المتوسطة + 9% الكوبالت |
الاستنتاج
- السوق المهيمنة: المعدن الصلب الكربيد التنغستن (WC-Co/WC-Ni) هو التيار الرئيسي المطلق، وهو يمثل > 95% من أسواق مضخات الحفر العالمية.
- الأداء الأساسي: القدرة على التكيف مع تحديات التشكيل المختلفة من خلال تعديلات في حجم حبيبات WC ونسبة الكوبالت / النيكل والإضافات.
- لا يمكن استبدالها: لا يزال الحل الأمثل لتحقيق التوازن بين مقاومة الارتداء والصلابة والتكلفة ، مع تقنيات متطورة (النانوكريستاليزة ، الطلاء) توسيع حدود تطبيقاتها.