نشریه پیام آبکار – پاییز ۱۳۹۴

الماس مصنوعي و كاربيدهاي سمنته و كاربرد آنها در ابزارهاي حفاري

تهيه و تنظيم:

اصغر صادق آبادي

رئيس اداره مهندسي كالاي پروژه هاي حفاري شركت ملي حفاري ايران

الماس به دليل خواص منحصر بفرد نظر صاحبان صنايع پيشرفته را به خود جلب كرده است. اولين الماس مصنوعي در 1950 ميلادي توسط شركت جنرال الكتريك ابداع گرديد. الماس مصنوعي خيلي سريع وارد بازار شد و از آن براي كاربردهاي سايش بالا استفاده گرديد. از روش‌هاي توليد پوشش هاي الماسي مي توان به روش اكسي استيلن و روش CVD توسط پلاسما اشاره نمود. كاربيدهاي سمنته دسته اي از مواد بسيار سخت و مقاوم در برابر سايش، شوك حرارتي و شوك مكانيكي مي باشند. استفاده توام از الماس مصنوعي و كاربيد سمنته، ماده‌اي بسيار مفيد براي ابزار حفاري مقاوم در برابر شوك و سايش بدست مي‌دهد.

خواص منحصر به فرد الماس به عنوان يك پوشش براي دامنه وسيعي از مواد پيشرفته هنوز تحت مطالعه و تحقيق است. با توسعه روش‌هاي جديد براي تهيه پوشش‌هاي الماسي متبلور در فشار كم به جاي روش‌هاي قبلي كه مستلزم دما و فشار بالا بودند، اين ماده قيمتي نظر محققان و صاحبان صنايع پيشرفته را شديدا به خود جلب كرده است. اين توسعه و گسترش، دامنه كاربرد جديد و وسيعي را در تكنولوژي الماس/ شبه الماس گشود. در اكثر كاربردهايي كه مستلزم استفاده از مواد پيشرفته است، از الماس و يا پوشش‌هاي الماسي مي‌توان استفاده كرد.

دليل اين امر در خواص ويژه و منحصر به فرد الماس نهفته است. از جمله اين خواص عبارت اند از الماس سخت ترين ماده شناخته شده در طبيعت است، داراي بيشترين هدايت حرارتي در دماي اتاق است، مقاوم در برابر اسيدها ، گرما و تشعشع است، عايق خوب الكتريكي است، داراي ثابت دي الكتريك كمي است و نسبت به تشعشعات مادون قرمز و مرئي شفاف است.

تاريخچه الماس مصنوعي به اواسط سال هاي 1950 ميلادي بر مي‌گردد. در اين تاريخ محققان در شركت جنرال الكتريك آمريكا و ASEA سوئد با استفاده از فشار زياد در دماي بالا موفق به تبديل گرافيت به الماس شدند. همچنين با اعمال امواج ضربه اي انفجاري بر گرافيت، ذرات ريز الماس توليد شد. شرايط محيطي لازم براي اين عمليات نسبتا سخت بوده و در محدوده پايداري ترموديناميكي فاز الماس قرار دارد. ذرات الماس توليدي خيلي سريع به بازار مصرف راه يافت و از آن براي كاربردهايي نظير ساينده ها و همچنين زينتر كردن جهت توليد الماس پلي كريستال براي ابزارها استفاده شد. ولي توليد و دست يابي به فشارهايي در حد 50 الي 150 كيلو بار و يا حتي بيشتر در دماهايي برابر با چندين هزار درجه سانتيگراد كار بسيار مشكلي بوده و نياز به تكنولوژي خاص و تجهيزات گران قيمت داشت. بنابراين در همان تاريخ در آمريكا و شوروي كوشش هايي جهت توليد الماس در ناحيه شبه پايدار نمودار تعادلي كربن در فشارهاي كم و دماي كم انجام گرفت. اين تحقيقات منجر به رسوب دادن الماس بر روي زير لايه غير الماسي توسط تجزيه حرارتي گازهاي حاوي كربن در فشارهاي كمتر از يك بار و دماهايي در حدود 1000 درجه سانتيگراد گرديد.تشكيل الماس بر روي زير لايه هاي غير الماسي به سال 1981 ميلادي و تحقيقات محققان روسي بر مي گردد. اين امر بلافاصله توسط محققان ژاپني و در انستيتوي تحقيقات ملي ژاپن تائيد گرديد. موفقيت كنوني تكنولوژي و توليد الماس مصنوعي عمدتا مديون قريب به 500 پتنت ارائه شده توسط محققان ژاپني در سال‌هاي 1983 تا 1987 ميلادي است.

در ادامه معمول ترين و متداول ترين روش‌هايي توليد پوشش‌ها الماس توسط رسوب شيميايي بخار، معرفي خواهند شد.

روش‌هاي توليد پوششهاي الماسي/ شبه الماسي

تمام روشهاي اوليه CVD براي تشكيل الماس از فاز گازي بر اساس تجزيه حرارتي گازهاي حاوي كربن نظير CBr4 ، CI4 ، CH4 و CO بوده است. اين فرايندها حاوي دماهاي گاز در حدود 600 الي 1200 درجه سانتيگراد انجام مي‌گرفتند. دماي گاز و دماي سطح زير لايه اي كه الماس بر روي آن تشكيل مي شد تقريبا يكسان بوده و سرعت رشد خطي الماس 0.01 ميكرون در ساعت بود. اولين تحول در زمينه تشكيل الماس به روش تجزيه حرارتي موقعي بود كه تجزيه گاز حامل كربن همراه با تشكيل هيدروژن اتمي در دماهايي به مراتب بيشتر از دماي زير لايه به كار گرفته شد. تحت چنين شرايطي از گرافيته شدن الماس در حال رشد جلوگيري مي شد. به علاوه تحت شرايط جديد سرعت رشد الماس در حد 1 الي 2 برابر افزايش داده شد. روش‌هاي مختلف توليد پوشش‌هاي الماسي عبارتند از:

روش فيلمان داغ

روش استفاده از شعله اكسي – استيلن

روش پلاسمايي توسط جريان مستقيم (DC ) در فشار كم.

تهيه الماس به روش CVD توسط قوس هاي مستقيم در فشار زياد، شعله و جت هاي پلاسما

تهيه الماس به روش CVD توسط پلاسماي حاصل از فركانس‌هاي راديويي(RF ) در فشار كم.

تهيه الماس به روش CVD و با استفاده از پلاسماي RF در فشار اتمسفر

تهيه الماس به روش CVD با استفاده از پلاسماي توليد شده توسط ميكروويو

كاربيد هاي سمنته

كاربيدهاي سمنته دسته اي از مواد بسيار سخت و مقاوم در برابر سايش اند كه به روش متالورژي پودر توليد مي شوند. در اروپا اين دسته از مواد فلزات سخت ناميده مي شوند. كاربيدهاي سمنته در اوايل دهه 1920 در آلمان توسعه يافت. كارل شورتر ابداع كننده اصلي اين ماده بود. اين مواد نخستين بار در سال 1927 با صرفه اقتصادي در فريد كروپ توليد شدند. كاربيدهاي سمنته اوليه شامل كاربيد تنگستن و كبالت بود كه ساختمان آن متشكل از دانه هاي كاربيد تنگستن در زمينه كبالت بود. اين تركيب شيميايي هنوز مهمترين تركيب به لحاظ توليد كمي اقتصادي كاربيدهاي سمنته است. كاربيدهاي سمنته به سبب وجود فاز كاربيدي، سختي زيادي دارند و در برابر سايش مقاوم اند. بر اثر وجود فاز فلزي كه به عنوان چسب عمل مي كند كاربيدهاي سمنته در برابر شوك گرمايي و مكانيكي به قدر كافي مقاوم اند و اين خواص آنها را در موارد بسياري زيادي قابل استفاده و سودمند كرده است. اولين كاربيدهاي سمنته به دليل نياز به ماده اي با مقاومت سايشي كافي براي تهيه قالب هاي كشش سيم تنگستن توسعه يافت. به زودي روشن شد كه اين ماده را مي توان ماشينكاري كرد و اين ماده علاوه بر سختي بيشتر نسبت به فولادهاي ابزار تندبر داراي سختي بيشتري در دماهاي زياد است. امروزه استفاده از كاربيد سمنته براي برش فلزات در برگيرنده بيش از نيمي از موارد كاربرد اين ماده است. يكي از مهمترين كاربرد كاربيدهاي سمنته براي برش فلزات به صورت نوك ابزار برش است كه با لحيم كاري سخت يا پرچ به پايه هاي فولادي متصل شده اند. ساير كاربردهاي مهم كاربيدهاي سمنته در مته هاي برش صخره، سنگ برها، ابزار شكل دادن فلزات، قطعات ساختماني، قطعات سايشي و ساينده هاست.

دسته بندي كاربيدهاي سمنته

كاربيد تنگستن – كبالت

اين نوع شامل ذرات گوشه دار بسيار ريز كاربيد تنگستن است كه با كبالت فلزي به هم متصل شده اند. مقدار كبالت از مقدار كم 3 تا 13 درصد در پودرهاي مصرفي براي ابزار برش تا 30 درصد براي قطعات سايشي متغير است. با افزايش مقدار كبالت و اندازه ذرات كاربيد تنگستن سختي كاهش ولي مقاوت در برابر شوك مكانيكي افزايش مي يابد.

كاربيد سمنته اي

كاربيد سمنته اي كه در آنها كبالت به عنوان چسب و كاربيد تنگستن جزء اصلي فازي كاربيدي تيتانيم، كاربيد تانتاليم به همراه آنهاست يا مجموعه اي از اين كاربيدها به همراه كاربيد تنگستن در آنها وجود دارد. اين نوع كاربيدهاي سمنته اصولا در ابزار برش فولاد به كار مي روند.

كاربيدهاي سمنته بر پايه كاربيد تيتانيم

كاربيدهاي سمنته اي كه TiC فاز كاربيدي آنها را تشكيل مي دهد در سال 1950 تحت عنوان سرمت ها براي كاربرد در دماي زياد توسعه يافتند. هدف توليد ماده اي بود كه استحكام زيادي در دماهاي بسيار زياد داشته باشد. اين نوع كاربيدهاي سمنته نسبت به كاربيدهاي بر پايه تنگستن تا حدي داراي مقاومت كمتر در برابر شوك مكانيكي و خستگي گرمايي هستند. به هر حال اين مواد مورد توجه اند چون در آنها به كبالت به عنوان چسب فلزي، كه منابع آن نيز محدود است نياز نيست.

كاربيدهاي سمنته كرومي

گروه ديگري از كاربيدهاي سمنته هستند كه كاربرد صنعتي پيدا كرده اند. يك نوع از اين كاربيدهاي سمنته كرومي داراي 83 درصد كاربيد كروم، 15 درصد نيكل و 2 درصد تنگستن است. كاربيدهاي سمنته كرومي مقاومت سايشي عالي و مقاومت خوب در برابر خوردگي و اكسايش دارند و در قطعاتي كه اين خواص مطلوب است استفاده مي شوند. اين مواد به دليل چقرمگي ناكافي در ابزار برش به كار نمي روند.

توليد كاربيدهاي سمنته

تا اين اواخر، توليد كنندگان كاربيدهاي سمنته، خود پودر كاربيد و كبالت را آماده مي كردند و غالبا از سنگ معدن تنگستن، اكسيد تيتانيم، دوده و اكسيد كبالت استفاده مي كردند. دليل انجام اين كار به وابستگي ديد كيفيت قطعه توليدي به خواص، به ويژه اندازه ذرات و توزيع اندازه ذرات و خلوص شيميايي پودر كاربيد و كبالت مربوط مي شد. اين وضعيت تغيير يافت زيرا پودر كاربيد و كبالتي در دسترس قرار گرفتند كه خواص آنها به قدر كافي كنترل شده بود و بنابراين بسياري از توليد كنندگان كاربيدهاي سمنته با استفاده از پودر كاربيد و كبالتي كه خريداري كرده بودند شروع به توليد كردند. پودر كبالت مصرفي براي كاربيدهاي سمنته از احياي اكسيد كبالت به دست مي آيد. درجه خلوص و توزيع اندازه ذرات پودر كبالت نيز شديدا بر كيفيت كاربيدهاي سمنته موثر است.

نخستين قدم در فرايند توليد شامل مخلوط كردن پودرها و همزدن و آسياب آنهاست. براي آسياب كردن مخلوط پودرها از آسياب گلوله اي استفاده مي‌شود. گلوله ها از جنس كاربيدهاي سمنته اند. علاوه بر آسياب‌هاي گلوله‌اي رايج، از آسياب هاي گلوله اي ارتعاشي پر انرژي و آسياب‌هاي سايشي نيز استفاده مي‌شود كه انتخاب آسياب به نوع كاربيد توليدي بستگي دارد. در طي آسياب ذرات كاملا با كبالت پوشيده مي شوند. پودر آسياب شده معمولا به روش پرس سرد منسجم مي شود. روش‌هاي ديگري براي منسجم سازي پودر وجود دارد. در يكي از روش‌ها پودر در قالب گرافيتي پرس مي‌شود كه اين قالب به طور القايي يا مقاومتي گرم مي شود. زينتر نهايي را مي توان در كوره هاي لوله اي نيمه مداوم كه به طور مقاومتي گرم مي شوند در اتمسفر هيدروژن انجام داد. عمليات مهمي كه پس از زينتر نهايي بر روي محصولات كاربيد سمنته انجام مي شود شامل فشردن ايزواستاتيك گرم و پوشش دادن است. در اين فرايند آن مقدار تخلخل اندكي هم كه در كاربيد سمنته باقي مانده است حذف مي شود و بدين ترتيب از اتصال آنها به سطح خارجي قطعه جلوگيري مي شود. فرايند پوشش دادن كاربيدهاي سمنته با كاربيد تيتانيم به روش رسوب گذاري شيميايي بخار نتيجه توسعه فرايندي است كه در ابتدا براي پوشش دادن فولاد با كاربيدها و نيتريدهاي تيتانيم ابداع شده بود.

تركيب شيميايي، خواص و آزمايش كاربيدهاي سمنته

يكي از خواص بسيار مهم كاربيدهاي سمنته، تخلخل آنهاست كه بايد در حد امكان خيلي كه باشد، به عبارت ديگر چگالي كاربيدهاي سمنته بايد نزديك به چگالي نظري باشد. انجمن آمريكايي براي آزمايش و مواد، براي تخلخل نيز دستور العملي(ASTM B276) صادر كرده است كه بر اساس آن ساختار ميكروسكوپي كاربيد سمنته با تصويرهاي ميكروسكوپي استاندارد در بزرگنمايي 200 مقايسه مي شود. دومين خاصيت مكانيكي مهم كاربيدهاي سمنته استحكام گسيختگي عرضي آنهاست.اين خاصيت به مقدار كبالت و اندازه دانه بستگي دارد. آزمايش اين خاصيت كاربيدهاي سمنته را انجمن آمريكايي براي آزمايش و مواد، به صورت استاندارد
ASTM B406 ارائه كرده است. كاربيدهاي سمنته به عنوان ابزار برش توسط افزايش استحكام گسيختگي عرضي، در آزمايشگاه‌هاي توليد كنندگان كاربيدهاي سمنته يك هدف مهم در توسعه انواع جديد بوده است. استحكام گسيختگي عرضي از يك سو به اندازه و توزيع ترك هاي بسيار ريز موجود در ماده كه اين خود در مورد كاربيدهاي سمنته به اندازه و توزيع منفذها وابسته است، و از سوي ديگر به مقاومت ماده در برابر اشاعه ترك از محل ترك هاي بسيار ريز بستگي دارد. از آنجا كه هر دو فاكتور در كارايي كاربيدهاي سمنته مهم اند، اندازه گيري استحكام گسيختگي عرضي يك آزمايش تجاري رايج است.

استفاده از الماس و كاربيدهاي سمنته در ابزار حفاري

در كل ابزارهاي الماس چند بلوره، لايه نازكي به ضخامت 0.5 تا 1.5 ميلي متر از ذرات الماس بسيار ريز دانه هستند كه با تف جوشي به يكديگر چسبيده و با پيوند متالورژيكي به زير لايه كاربيد سمنته متصل شده اند. براي اينكار فرايندي با فشار و دماي بسيار بالا نزديك به شرايط توليد الماس مصنوعي مورد نياز است. ابتدا پودر الماس نرم به درشتي 1 تا 30 ميكرون را با پرس روي ابزار كاربيد سمانته فشرده مي كنند. سپس در شرايطي از فشار و دما تقريبا مانند حالت تف جوشي در ناحيه پايدار الماس، فشردگي كامل صورت مي گيرد و پيوند محكم الماس بر قرار مي شود. سپس ابزارهاي الماس تف جوشي شده توسط اشعه ليزر به شكل، اندازه و ابعاد دقيق بريده و سنگ زني مي شوند. كاربيد سمنته زيرين تكيه گاه ارتجاعي لازم براي لايه سخت و شكننده الماس بالايي را فراهم مي كند.

از امتيازات ابزارهاي چند بلوره تف جوشي شده نسبت به نوع تك بلوره طبيعي كيفيت برتر، چقرمگي بالاتر و مقاومت سايشي بهتر به علت استقرار دانه هاي الماس به صورت اتفاقي و در جهات مختلف است. عمده مصرف الماس مصنوعي و كاربيد سمنته در ساخت مته هاي حفاري مي باشد. همچنين در ابزارهايي كه بايد از مقاومت كافي در برابر سايش برخوردار باشند مانند STABILIZER نيز از اين مواد پيشرفته استفاده مي شود. اميد است در آينده نزديك شاهد دستيابي به فن آوري ساخت اين مواد در داخل كشور باشيم.

برای اشنایی بیشتر با ارسال کننده مقاله به سایت نشریه پیام آبکار مراجعه نمایید