Slijtvaste inzetstukken met een hoog diamantgehalte

Ook al lijkt het vanzelfsprekend dat de slijtvastheid evenredig is aan het diamantgehalte van het diamantinzetstuk, toch zijn er een aantal beperkingen die een optimalisatie van het diamantgehalte noodzakelijk maken.

Daarom heeft Diarotech het effect van het diamantgehalte van zijn inzetstukken op hun slijtvastheid onderzocht, om zo te komen tot de best mogelijke verhouding tussen de prestaties en de kosten.

Algemene informatie over snijvermogen en slijtvastheid

Diamant is het element waarmee aan diamantgereedschappen hun snijvermogen en slijtvastheid wordt verleend.

Voor het snijvermogen kan het goed zijn om het diamantgehalte te verlagen en zo de agressiviteit van het gereedschap te vergroten (ten koste van de levensduur).

In de bovenstaande grafiek wordt aldus de evolutie weergegeven van de penetratiegraad (ROP) in functie van het diamantvolumegehalte voor een bepaald gesteente en bindmiddel bij identieke werkomstandigheden.

We stellen in deze grafiek vast dat een lager diamantgehalte de penetratiegraad aanzienlijk kan verbeteren.

Meestal wordt voor toepassingen die een goede slijtvastheid vereisen, met een hoger diamantgehalte gewerkt. Het hogere diamantvolumegehalte leidt immers tot een toename van het diamantoppervlak en dus tot een vermindering van het metaaloppervlak (de vorm) dat in contact komt met het gesteente. Waardoor enerzijds de vorm minder snel verslijt, en anderzijds de wrijvingscoëfficiënt tussen het gereedschap en de boorwand beperkt wordt. Zo kan er een niet-lineair (exponentieel) verband worden vastgesteld tussen het diamantgehalte en de slijtvastheid.

Technologische beperkingen

Het is dan ook verleidelijk om het diamantgehalte in gereedschap te maximaliseren, maar er stellen zich verschillende beperkingen.

Ten eerste geldt er een geometrische limiet voor het toegestane diamantgehalte in een werktuig. Als we er immers van uitgaan dat diamanten bolvormig zijn en optimaal gestapeld worden (een zogenaamde ‘kubische vlakgecentreerde’ stapeling), krijgen we een limiet van 74 vol.-%. In de praktijk ligt de grens rond 67 %.

Maar een dergelijk volumegehalte aan diamant wijst op een grote broosheid bij het gereedschap. Dergelijke compacte stapelingen kunnen immers alleen bereikt worden als de diamanten met elkaar in contact komen. En diamanten die met elkaar in contact komen, vormen al snel breukgevoelige vlakken. In de praktijk zorgen deze contactpunten tussen diamanten ervoor dat het volumegehalte sterk boven de 50 % stijgt.

En tot slot: de laatste technologische beperking die onder andere de hogere kostprijs van deze inzetstukken met hoog diamantgehalte verklaart, is de slijtage van de voor de voorafgaande vorming gebruikte vormen, die heel wat hoger ligt vanaf een waarde van 29 vol.-%. Deze limiet, boven dewelke men het contact tussen diamant en vorm vermeerdert, wordt in onderstaande grafiek via geometrische demonstratie en waarbij R het diamantvolumegehalte is, duidelijk aangegeven.

De optimale oplossing

Rekening houdend met al deze beperkingen, blijkt dat het diamantvolumegehalte voor een maximale verhouding tussen prestaties en kosten 40 % is!

Dit volumegehalte maakt het immers mogelijk om de slijtage van de vormen binnen aanvaardbare marges te houden, en tegelijkertijd een uitstekende slijtvastheid en breukvastheid te garanderen.

Zoals ook blijkt uit het slijtagebeeld hieronder. Bij dit volumegehalte krijgt men een zeer grote oppervlaktedekking van de diamanten zonder contactpunten tussen de diamanten.

Beoordeling van de slijtvastheid

Om de slijtvastheid van zijn inzetstukken optimaal te beoordelen, heeft Diarotech een interne testbank ontwikkeld waarmee een snelle en reproduceerbare karakterisering mogelijk is, waarvan de resultaten overeenkomen met de werfresultaten.

De op de normen gebaseerde tests (G65 ASTM, G99ASTM …) zijn immers niet geschikt voor de karakterisering van composietmaterialen en leveren resultaten op die niet overeenstemmen met de vaststellingen op het terrein. Dit kan onder andere worden verklaard door het grote verschil tussen de testomstandigheden en de werkelijke omstandigheden (WOB, RPM, vloeistofdebiet, mate van belasting van de vloeistof …). De ontworpen testbank integreert al deze aspecten en biedt de mogelijkheid om de slijtage dankzij de LASER-verplaatsingsmeting in real time te meten.

Tot slot geeft de bovenstaande grafiek ook nog de resultaten weer van slijtageproeven die werden uitgevoerd op basis van de belangrijkste anti-slijtagenormen in de sector van de olieboringen. Hieruit blijkt duidelijk het belang van de slijtvaste oplossing van Diarotech, die in vergelijking slijtvastheidswaarden levert die 4000 keer hoger liggen dan bij een carbide-inzetstuk, 400 keer hoger dan bij een TSP-inzetstuk en 10 keer hoger dan bij een 25 vol.-% geïmpregneerd diamantinzetstuk.