I. PDCの熱摩耗とコバルト除去
PDCの高圧焼結プロセスでは、コバルトが触媒として働き、ダイヤモンドとダイヤモンドの直接結合を促進し、ダイヤモンド層と炭化タングステンマトリックスを一体化させ、その結果、高い靭性と優れた耐摩耗性を備えた油田地質掘削に適したPDC切削歯が得られます。
ダイヤモンドの耐熱性はかなり限られています。大気圧下では、ダイヤモンドの表面は900℃前後以上の温度で変質する可能性があります。従来のPDCは、使用中に約750℃で劣化する傾向があります。硬くて摩耗性の高い岩盤層を掘削する際、摩擦熱によってPDCはこの温度に容易に達し、瞬間的な温度（つまり、微視的なレベルでの局所的な温度）はさらに高くなり、コバルトの融点（1495℃）をはるかに超える可能性があります。
純粋なダイヤモンドと比較して、コバルトの存在により、ダイヤモンドはより低い温度でグラファイトに変化します。その結果、ダイヤモンドの摩耗は、局所的な摩擦熱によるグラファイト化によって引き起こされます。さらに、コバルトの熱膨張係数はダイヤモンドよりもはるかに高いため、加熱中にコバルトの膨張によってダイヤモンド粒子間の結合が破壊される可能性があります。
1983年、2人の研究者が標準的なPDCダイヤモンド層の表面にダイヤモンド除去処理を施し、PDC歯の性能を大幅に向上させました。しかし、この発明は十分な注目を集めることはありませんでした。2000年以降、PDCダイヤモンド層に関する理解が深まるにつれ、ドリルメーカーは岩盤掘削に使用されるPDC歯にこの技術を適用し始めました。この方法で処理された歯は、熱機械的摩耗が著しい高摩耗性地層に適しており、一般的に「脱コバルト」歯と呼ばれています。
いわゆる「脱コバルト」処理は、従来の方法でPDCを製造した後、ダイヤモンド層の表面を強酸に浸漬し、酸エッチング処理によってコバルト相を除去することで行われます。コバルトの除去深さは約200ミクロンに達します。
同一のPDC歯2本（うち1本はダイヤモンド層表面のコバルト除去処理済み）を用いて、過酷な摩耗試験を実施した。花崗岩を5000m切削した後、コバルト除去処理を施していないPDCの摩耗速度が急激に増加し始めたことが分かった。一方、コバルト除去処理を施したPDCは、約15000mの岩石を切削する間、比較的安定した切削速度を維持した。
2. PDCの検出方法
PDC歯を検出する方法には、破壊検査と非破壊検査の2種類がある。
1. 破壊試験
これらの試験は、坑内環境を可能な限り忠実に再現し、そのような環境下における切削歯の性能を評価することを目的としています。破壊試験の主な形態は、耐摩耗性試験と耐衝撃性試験の2種類です。
（１）耐摩耗性試験
PDCの耐摩耗性試験には、3種類の装置が使用されます。
A. 立旋盤（VTL）
試験中は、まずPDCビットをVTL旋盤に固定し、岩石サンプル（通常は花崗岩）をPDCビットの隣に置きます。次に、岩石サンプルを旋盤軸を中心に一定の速度で回転させます。PDCビットは岩石サンプルに特定の深さまで切削します。試験に花崗岩を使用する場合、この切削深さは一般的に1mm未満です。この試験は、乾式または湿式で行うことができます。「乾式VTL試験」では、PDCビットが岩石を切削する際に冷却は行われません。発生した摩擦熱はすべてPDCに入り、ダイヤモンドの黒鉛化プロセスを促進します。この試験方法は、高い掘削圧力または高い回転速度を必要とする条件下でPDCビットを評価する場合に優れた結果をもたらします。
「湿式VTL試験」は、試験中にPDCの歯を水または空気で冷却することにより、中程度の加熱条件下でのPDCの寿命を検出します。したがって、この試験における主な摩耗源は、加熱要因ではなく、岩石試料の研削です。
B、横型旋盤
この試験は花崗岩を用いて行われ、試験原理は基本的にVTLと同じです。試験時間はわずか数分で、花崗岩とPDC歯との間の熱衝撃は非常に限定的です。
PDCギアのサプライヤーが使用する花崗岩の試験パラメータは様々です。例えば、米国のSynthetic CorporationとDI Companyが使用する試験パラメータは全く同じではありませんが、両社とも試験に同じ花崗岩材料を使用しています。これは、多孔質が非常に少なく、圧縮強度が190MPaの粗粒から中粒の多結晶火成岩です。
C. 摩耗率測定器
指定された条件下で、PDCのダイヤモンド層を使用して炭化ケイ素砥石をトリミングし、砥石の摩耗率とPDCの摩耗率の比をPDCの摩耗指数とし、これを摩耗率と呼ぶ。
（２）耐衝撃性試験
衝撃試験の方法は、PDC歯を15～25度の角度で取り付け、一定の高さから物体を落下させてPDC歯のダイヤモンド層に垂直に衝突させるというものです。落下物体の重量と高さによって、試験対象の歯が受ける衝撃エネルギーレベルが決まり、これは徐々に増加して最大100ジュールまで達します。各歯は、それ以上試験できなくなるまで3～7回衝撃を受けることができます。一般的に、各エネルギーレベルで、各タイプの歯について少なくとも10個のサンプルが試験されます。歯の衝撃に対する耐性にはばらつきがあるため、各エネルギーレベルでの試験結果は、各歯の衝撃後のダイヤモンド剥離の平均面積となります。
2. 非破壊検査
目視検査や顕微鏡検査を除けば、最も広く用いられている非破壊検査技術は超音波探傷検査（Cスキャン）である。
Cスキャン技術は、小さな欠陥を検出し、欠陥の位置とサイズを特定することができます。この検査を行う際は、まずPDC歯を水槽に入れ、次に超音波プローブでスキャンします。
この記事は「国際金属加工ネットワーク「
投稿日時：2025年3月21日
