AP23484450 – Разработка инновационных композиционных алмазосодержащих материалов с высокими механическими и эксплуатационными характеристиками для оснащения буровых инструментов

Цель – Совершенствование конструкции бурового инструмента для бурения скважин различного назначения, заключающиеся в рациональном размещении и конфигурации рабочих элементов, полученных методом плазменно-искрового спекания композиционных алмазосодержащих материалов Cdiamond ‒ (WC‒Co) ‒CrB2 ‒ ZrO2.

Актуальность: Актуальность проекта обусловлена необходимостью создания высокоэффективных буровых инструментов для работы в условиях твердых горных пород. Современные требования к инструментам предполагают сочетание высокой износостойкости, прочности и экономичности, что невозможно обеспечить без разработки новых композиционных материалов. Использование матриц WC–Co с дисперсноупрочняющими добавками CrB₂ и ZrO₂ позволяет объединить высокую адгезию алмазных зерен с матрицей и улучшенные механические характеристики композита. Особую значимость имеет оптимизация состава и режимов спекания, обеспечивающих максимальные эксплуатационные свойства инструмента. Применение технологии модифицированного плазменно-искрового спекания позволяет повысить износостойкость изделий и одновременно снизить энергозатраты и себестоимость производства. Таким образом, разработка новых композиционных материалов и технологий их получения является актуальной задачей, направленной на повышение эффективности буровых работ и конкурентоспособности продукции.

Научный руководитель: Доктор технических наук, Профессор, Ратов Боранбай Товбасарович

Ожидаемые и достигнутые результаты: В ходе реализации проекта разработана методология приготовления многокомпонентных алмазосодержащих смесей с равномерным распределением компонентов, включая алмаз, WC, Co, CrB₂ и ZrO₂. Изготовлены и спечены образцы твердосплавных матриц и композиционных алмазосодержащих материалов различных составов для экспериментальных исследований. Проведен анализ существующих конструкций буровых инструментов и направлений их совершенствования, а также выполнен патентный поиск. Разработана технология приготовления смесей с поэтапным введением компонентов в спиртовой среде и контролируемой сушкой, обеспечивающая однородность структуры композитов. Установлены зависимости эффективности разрушения горных пород алмазосодержащими матрицами от их твердости и абразивности. Спекание образцов осуществлено методом плазменно-искрового спекания при температуре до 1450 °С, давлении 30 МПа и в условиях вакуума, что позволило предотвратить рекристаллизацию и обеспечить равновесную структуру материалов. Определены форма, размеры и морфология частиц порошков WC, Co, CrB₂, ZrO₂ и алмаза как в исходном состоянии, так и в смесях. Установлено образование агломератов и особенности распределения частиц в композитах. Разработаны рабочие чертежи алмазных буровых коронок с учетом современных требований и проведенных исследований. Выявлено, что добавление 6% ZrO₂ и 2% CrB₂ в состав композита 94WC–6Co приводит к значительному увеличению прочности при сжатии и изгибе. Определено, что превышение содержания добавок вызывает ухудшение свойств вследствие образования микропор и микротрещин. Получены данные о механических характеристиках, включая жесткость и ползучесть материалов, а также работу упругой и пластической деформации. Показано, что разработанные композиты обладают улучшенными эксплуатационными свойствами по сравнению с базовым материалом. Проведен авторский контроль за изготовлением опытной партии буровых инструментов в соответствии с патентами Республики Казахстан. Поданы заявки на получение патентов на разработанные решения. В результате проекта созданы новые композиционные материалы и технологические решения, обеспечивающие повышение ресурса и эффективности буровых инструментов для работы в сложных условиях.

Список публикаций с ссылками на них

1. Сейдалиев А.А., Калжанова А.Б., Гусманова А.Г., Ратов Б.Т., Куттыбаев А.Е., Сарбопеева М.Д., Утепов З.Г. Оптимизация эксплуатационных свойств бурового инструмента с алмазосодержащими элементами // Нефть и газ. – 2025. – Т. 2. – № 146. – С. 42–52. – DOI: https://doi.org/10.37878/2708-0080/2025-2.03
2. Ratov B., Kuttybayev A., Tileuberdi N., Utepov Z., Aliakbar M., Zhanggirkhanova A., Pashchenko O., Kamyshatskyi O., Khomenko V., Zaichuk O., Seidaliyev A. Application of Plasticizers Octadecane to Pentatriacontane and Ethylene Glycol in the Manufacture of Metaloceramic Alloys // ES Materials and Manufacturing. – 2025. – Vol. 28. – No. 1563. – P. 1–14. – DOI: https://dx.doi.org/10.30919/mm1563
3. Ratov B., Mechnik V., Hevorkian E., Rucki M., Pieniak D., Bondarenko N., Kolodnitskyi V., Starik S., Bilorusets V., Chishkala V., Sundetova P., Bektilevov A., Shukmanova A., Seidaliyev A. Wear Resistance of the Refractory WC–Co Diamond-Reinforced Composite with Zirconia Additive // Materials. – 2025. – Vol. 18. – No. 1965. – P. 1–17. – DOI: https://doi.org/10.3390/ma18091965