Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

Н. И. Полушин, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Сверхтвердые материалы»
И. Ю. Маркова, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Сверхтвердые материалы»
А. И. Лаптев, главный научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Сверхтвердые материалы», эл. почта: laptev@misis.ru
М. Н. Сорокин, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Сверхтвердые материалы»

Целью настоящей работы является выбор состава припоя для пайки PCD-композитов в стальной корпус при изготовлении PDC-долот. Для исследований были выбраны два припоя: серебряный ПСр40 и латунный П47, широко применяемые при пайке твердосплавного инструмента. В работе представлены результаты экспериментальных исследований прочности пайки этими припоями стали Ст.45 с твердым сплавом ВК15. Пайку проводили методом ТВЧ на установке ВЧ-25АВ, использовали флюс ПВ284Х. Припои ПСр40 и П47 применяли с целью ограничения температуры пайки, которая не должна была превышать температуры термостойкости алмазных композиционных материалов марки PCD. В результате исследований установлено, что в процессе пайки припоем П47 происходило химическое взаимодействие припоя с кобальтом твердого сплава с образованием соединения Co₃ZnCx, что приводило к разрушению паяных образцов при испытании на разрыв по телу твердого сплава. Это связано с уменьшением содержания кобальта и снижением прочности поверхностной зоны твердого сплава. Изучение шлифов спаев ВК15 с П47 на полевом эмиссионном растровом электронном микроскопе показало, что глубина снижения концентрации кобальта в твердом сплаве в неразрушенной части образца составляет 0,05–0,10 мм. В образцах с припоем ПСр40 разрушение идет, как правило, частично по поверхности раздела припой – твердый сплав, частично по телу припоя. Изменения концентрации кобальта в твердом сплаве установлено не было, что объясняется меньшей температурой пайки припоем ПСр40. Представлены результаты испытания спаянных образцов на разрыв и срез. При испытаниях на разрыв прочность образцов, спаянных припоем ПСр40, существенно превышает (примерно в 2 раза) прочность образцов, спаянных припоем П47. По результатам испытания на растяжение и срез можно рекомендовать для использования серебряные припои с содержанием серебра 40 % при изготовлении алмазных инструментов из алмазно-твердосплавных композиционных материалов типа PCD, в том числе и для изготовления лопастных PDC-долот, поскольку пайка при температурах до 700 ^оС PCD режущих элементов припоем марки ПСр40 не приводит к снижению их эксплуатационных свойств.

Данная работа выполнена в рамках федерального целевого проекта программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-техно логического комплекса России на 2014–2020 годы» по теме «Разработка технологии изготовления высокоэффективных долот горизонтального и наклонного бурения для нефтегазовой отрасли» соглашения № 14.581.21.0012 (уникальный идентификатор соглашения RFMEFI58115X0012) при финансовой поддержке прикладных научных исследований Министерством образования и науки Российской Федерации.

1. Сергейчев К. Ф. Алмазные CVD-покрытия режущих инструментов (обзор) // Успехи прикладной физики. 2015. Т. 3, № 4. С. 342–376.
2. Fukaya T., Shimada H., Yano K., Kanada Y. Development of nano-polycrystalline diamond tools for direct cutting of cemented carbide // Finer Points. Super abrasive industry review. 2015. No. 9. P. 27.
3. Belnap D., Griffo A. Homogeneous and structured PDC/WC – Co materials for drilling // Diamond and Related Materials. 2004. Vol. 13 (10). Р. 1914–1922.
4. Zacny K. Fracture and fatigue of polycrystalline-diamond compacts // Society of Petroleum Engineers. 2012. Vol. 27 (1). Р. 145–157.
5. Bellin F., Dourfaye A., King W., Thigpen M. Development and application of polycrystalline diamond compact bits have overcome complex challenges from the difficulty of reliably mounting PDC cutters in bit bodies to accelerated thermal wear // World oil. 2010. No. 9. P. 41–46.
6. Бессон А., Берр Б., Диллард С., Дрейк Э., Айви Б., Айви К., Смит Р., Уотсон Г. Новый взгляд на режущие элементы буровых долот // Нефтегазовое обозрение. 2002. № 2. С. 4–31.

7. Лаптев А. И., Головков А. Н., Калантыра А. А., Полушин Н. И. Изучение взаимодействия серебросодержащих припоев с композиционным материалом на основе плотных форм нитрида бора // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2007. № 4. С. 58–62.
8. Elyutin A. V., Laptev A. I., Manukhin A. V., Sannikov D. S., Kryukova L. M. Synthesis of polycrystalline carbonado diamonds from pyrographite // Doklady Chemistry. 2001. Vol. 378, No. 4–6. С. 160–164.
9. Yahiaoui M., Gerbaud L., Paris J.-Y., Denape J., Dourfaye A. A study on PDC drill bits quality // Wear. 2013. Vol. 298/299. P. 32–41.
10. Durrand C. J., Skeem M. R., Crockett R. B., Hall D. R. Superyard, thick, shaped PDC cutters for hard rock drilling: development and test results // Proceedings Thirty-Fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University. Stanford, California, 2010. February 1–3. P. 1–8.
11. Полушин Н. И., Овчинникова М. С., Сорокин М. Н. Снижение содержания металлов в алмазном слое поликристаллов PCD методом химического и электрохимического травления // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. № 2. С. 30–34.
12. Стефанив Б. В. Разработка технологии пайки алмазно-твердосплавных резцов // Автоматическая сварка. 2013. № 2. С. 38–42.
13. ГОСТ 24715–81. Соединения паяные. Методы контроля качества. — Введ. 1983–01–01.
14. ГОСТ 23178–78. Флюсы паяльные высокотемпературные фторборатно- и боридно-галогенидные. Технические условия. — Введ. 1980–01–01.
15. Справочник по пайке / под ред. И. Е. Петрунина. — М. : Машиностроение, 2003. — 480 с.
16. ГОСТ 19738–74. Припои серебряные. Марки. Введ. 1975–01–01.