Характеристики победитовых сверл, их особенности

Характеристики победитовых сверл, их особенности

Победитовое сверло – сверхпрочный инструмент, специально разработанный для сверления и бурения твердых материалов и сплавов. Рассказываем об их устройстве, характеристиках, видах. Каким производителям сверл с напайками стоит доверять.

Сверление – один из наиболее часто используемых методов обработки различных деталей и конструкций. Материалы, в которых делают отверстия, могут иметь разную структуру, как более плотную, так и менее твердую. Сверлят каналы при помощи сверла. Для мягких поверхностей, например древесины, применяют инструмент, изготовленный из быстрорежущей стали. Металл также поддается обработке такой оснасткой. А вот бетон, кирпич и подобные строительные материалы может одолеть лишь победитовое сверло.

Структура бетонных конструкций такова, что содержит природные абразивные компоненты, поэтому при воздействии на него обычным инструментом из стали последний будет приходить в негодность. Сверло с напайками из победита, который имеет сверхпрочную поверхность и мало подвержен истиранию, эффективно может бурить такие материалы, не требуя частой заточки.

Победитовую оснастку нужно применять точно по назначению. Буры по бетону не подходят для сверления стали и древесины!

«Победит» или не «победит»

Сплав «Победит», изобретенный в первой четверти прошлого века состоял из 96% карбида вольфрама и 4% кобальта. В современной классификации по ГОСТ-у такой материал соответствует сплаву под индексом ВК4. Цифра в маркировке твердых сплавов указывает на процентное содержание кобальта. Сейчас для твердосплавных наконечников сверл большинство производителей используют сплав ВК8 (92% карбида вольфрама и 8% кобальта). В сплав добавляют специальные присадки, улучшающие режущие качества и продлевающие срок службы изделий с твердосплавными наконечниками. Однако по укоренившейся привычке в народе сверло для работы по бетону, кирпичу, камню, стеклу или плитке так и осталось «победитовым».

Победитель победита

Как на стыке теории кристаллографии и нефтяной индустрии нашли новый сверхтвердый материал

Строители скважин и тоннелей во всем мире ищут полноценную и при этом экономичную замену для дорогостоящих резцов из алмазов и победита, применяемых на буровом оборудовании. Фундаментальная наука, в свою очередь, десятилетиями бьется над поиском новых соединений и сплавов, не встречающихся в природе. О том, как российские нефтяники помогли ученым сделать открытие, способное привести к промышленному получению нового сверхтвердого материала — пентаборида вольфрама, читайте в нашем материале, подготовленном совместно с компанией «Газпром нефть».

Ювелирный инструмент

Алмазы вот уже полтора века — лучшие друзья бурильщиков. В 1863 году инженер Родольфо Лоше впервые применил прообраз современной алмазной коронки во время строительства железнодорожного тоннеля в швейцарских Альпах.

Стальные буры, которыми пользовались тогда, выходили из строя уже через час работы. По легенде, в отчаянии наблюдая за бесполезными попытками пробить проход в горе, Лоше постукивал пальцами по оконному стеклу и заметил оставшиеся на нем следы от бриллиантового перстня.

Несмотря на сумасшедшую дороговизну (стоимость одного карата алмаза в середине XIX века была сравнима со стоимостью конного экипажа), Лоше смог уговорить инвестора приобрести 100 карат алмазов. Драгоценные камни крепились к буровой трубе вручную: в торце бура для каждого кристалла высверливалось отдельное гнездо, заполнявшееся специальным припоем.

Вскоре работа закипела. Алмазы крошились, выпадали из своих гнезд, некоторые из них наверняка после так и не вернулись на место, закатившись в карманы рабочих, но все равно драгоценные буры окупились: скорость проходки ускорилась в десятки раз — вместо часа их хватало уже на сутки.

Сегодня один алмазный резец стоит от 20 до 200 долларов. Бурильные долота бывают разных конструкций: в среднем в них по 50 резцов, так что стоимость инструмента варьируется от полу- до нескольких миллионов рублей. Срок эксплуатации сильно зависит от состава породы, которую «грызут» бурильщики: в условиях Восточной Сибири одно долото проходит 200-500 метров, а в Западной Сибири — 10 километров и более.

Тверже не бывает

Может ли что-нибудь заменить алмаз? Вопрос о том, существует ли более твердое вещество, крайне интересует не только бурильщиков, но и научное сообщество.

За десятилетия поисков были выпущены сотни публикаций, авторы которых утверждали, что наконец нашли или хотя бы поняли, где следует искать структуру, сравнимую с алмазом, а то и превосходящую его по твердости. Все эти утверждения впоследствии неизменно опровергались.

Пока ни одно известное вещество не может тягаться с алмазом по этому свойству. Но у него есть свои недостатки — в кислородной атмосфере алмаз начинает сгорать при температуре 1000 градусов Цельсия, а при более высоких температурах «растворяется» в железосодержащих породах.

Десять лет назад китайские ученые заявили, что, согласно их расчетам, в случае отсутствия примесей минерал лонсдейлит — это гексагональная полиморфная модификация алмаза, впервые синтезированная в 1966 году в лаборатории, — может быть на 58 процентов тверже алмаза. Однако эти теории так и не нашли подтверждения.

Поиск материала, который заменит алмазную пластину резца, продолжается. Российские ученые уже получили образцы новых сверхтвердых материалов, которые по своим характеристикам вплотную приближаются к такому веществу, как кубический нитрид бора. Это одно из наиболее близких к алмазу сверхтвердых соединений, применяемых в промышленности.

Кристаллические структуры сверхтвердых материалов

Oganov et al. Journal of Applied Physics, 2019

Победит всех победит?

Вплоть до конца XIX века в подземном бурении и горнодобывающей промышленности для создания бурового сверла использовали только инструментальную сталь, насыщенную углеродом. Следом пришла идея использовать для режущего инструмента вольфрам-углеродный сплав. Его впервые применили в 1920-х годах на заводах Круппа в Германии.

В СССР в 1929 году был запатентовано «каноничное» соотношение карбида вольфрама и кобальта в сплаве — 9 к 1. Сплав советские инженеры нарекли вполне в духе времени — победитом. Сегодня победитов уже десятки: в составе многих не только вольфрам и кобальт, но еще и никель, титан, тантал.

Победитовое сверло бурит бетон, может даже пробить металл в нем. Такие буры справляются с работой на твердых почвах и скалистых породах.

Десятки лет головки резцов для буровых установок во всем мире делают из победита (карбид вольфрама) с вкраплениями синтетических алмазов. Они вне конкуренции на рынке, другие материалы не смогли их вытеснить.

Даже более твердые материалы, например диборид титана, либо требуют высоких давлений при их синтезе, а значит обладают высокой себестоимостью, либо имеют гораздо более низкую трещиностойкость и менее практичны в использовании.

Между вольфрамом и бором

В 2015 году российские нефтяники и ученые из Сколтеха решили объединиться, чтобы вместе получить материал, способный победить победит.

«В какой-то момент мы задались вопросом, — вспоминает Артем Закиров, эксперт Научно-технического центра «Газпром нефти», — а нельзя ли использовать другой материал для буровых резцов, который будет более износостойким и не будет требовать при синтезе высоких давлений».

Ответ на этот вопрос искали между вольфрамом и бором. Известно, что они могут образовывать между собой много устойчивых кристаллических фаз различного состава: две фазы состава WB и еще три соединения WB2, W2B, WB4.

Читайте также  Анаэробный герметик автомобильный

В ходе новых исследований кристаллографы обнаружили еще три устойчивые структуры, неизвестные ранее: триборид тетравольфрама (W4B3), пентаборид гексавольфрама (W6B5) и пентаборид вольфрама (WB5). Все три фазы оказались тугоплавкими и сверхтвердыми, а наиболее интересной из них ученые назвали пентаборид вольфрама WB5.

Согласно расчетам, твердость пентаборида находится на уровне 45 гигапаскалей. И его свойства должны сохраняться даже при очень высоких температурах — например, твердость нового материала при нагревании до 2000 градусов Цельсия падает только до 27 гигапаскалей. В это же время, к примеру, алмаз уже полыхал бы синим пламенем.

Прототипы резцов для бурового оборудования из новых спроектированных материалов первой испытала «Газпром нефть». Тестировали пентаборид вольфрама на граните. Проверка подтвердила, что образцы тверже победита и его аналогов. Уникальный материал оказался на 30 процентов прочнее и в 2 раза устойчивее к высоким температурам.

Сейчас «Газпром нефть» продолжает исследовать способы производства новых материалов и изделий на их основе на промышленном оборудовании. Специально для этого совместно с Российским научным фондом компания открыла в Сколтехе лабораторию компьютерного дизайна новых материалов.

Эволюция успеха

«Самый простой способ взаимодействия с бизнесом — когда тебя просят решить ту задачу, решение которой ты уже наполовину придумал, — рассказывает Артем Оганов, российский кристаллограф и профессор Сколтеха. — Мы на протяжении долгого времени изучали множество систем, предсказывая стабильные химические соединения и рассчитывая их свойства. Это были интересные вещества, но с победитом по твердости они были не сравнимы. Казалось, что победит действительно непобедим».

Оружие Оганова — это USPEX. Читайте это аббревиатуру как хотите, но расшифровывается она как Universal Structure Predictor: Evolutionary (X)Crystallography. Это машинный алгоритм предсказания кристаллических структур. Он предсказывает, какая у вещества с заданным химическим составом будет устойчивая структура в тех или иных условиях.

Наиболее устойчивая структура вещества обладает наименьшей энергией. В данном случае энергия характеризует электромагнитное взаимодействие ядер и электронов атомов, из которых состоит кристалл. Искать структуры с наименьшей энергией простым перебором практически бесполезно: даже если система состоит из всего десятка атомов, вариантов их расположения друг относительно друга будет порядка 100 миллиардов.

USPEX генерирует случайным образом небольшое количество структур и рассчитывает их энергию. А дальше начинается эволюция в прямом смысле этого слова: варианты с наибольшей энергией, то есть наименее устойчивые структуры, отбрасываются, а из наиболее устойчивых алгоритм генерирует производные структуры. Если их энергия оказывается ниже «материнских», но следующее «поколение» производится уже от них.

Понизить давление

Новые сверхтвердые материалы отправились в Институт физики высоких давлений имени Верещагина РАН для проверки результатов ученых Сколтеха.

«У нас был опыт работы с боридами, накопленный за предыдущие 30 лет, но области более высоких концентраций бора мы не исследовали, поскольку такие сплавы более хрупкие», — говорит Вадим Бражкин, директор ИФВД РАН.

В камере с максимальным давлением 15 тысяч атмосфер (примерно соответствует 15 килобар) в ИФВД синтезировали опытные образцы из пентаборида вольфрама в несколько миллиметров длиной. Более крупные прототипы резцов не требуются, поскольку рабочие элементы коронок резцов не превышают 15 миллиметров. По механическим показателям образцы, полученные при высоком давлении, выигрывают, однако проигрывают по себестоимости.

В ИФВД объясняют, что, по их расчетам, для внедрения в промышленных масштабах надо научиться синтезировать пентаборидовые коронки при давлениях менее 10 килобар. Над этим в институте сейчас активно работают. В случае успеха ученым предстоит найти подходящую площадку для производства, убедить сервисные компании в выгодах от внедрения нового материала и защитить патентные права.

«Мы хотели выстроить технологическую цепочку от фундаментальной науки до практического применения. В нашей стране этот институт трансфера и запросов бизнеса к фундаментальной науке не развит. На примере пентаборида вольфрама мы пытаемся его создать практически с нуля», — признают в «Газпром нефти».

«Карта сокровищ»

А пока в ИФВД пекли и испытывали пентаборид, теоретики продолжали свой поиск. И в новой публикации Оганов с коллегами из Сколтеха и МФТИ описали сочетание алгоритма USPEX с двумя новыми методами расчета твердости по Виккерсу и ударной вязкости (способности поглощать энергию без разрушения).

Исключив инертные газы, редкоземельные элементы и радиоактивные нуклиды, ученые проверили бинарные комбинации из 74 элементов периодической таблицы. Итогом их работы стала «карта сокровищ» сверхтвердых материалов, где обозначены как уже известные, так и новые вещества разной степени твердости и ударной вязкости.

На «карте» представлены как известные материалы: карбид вольфрам, корунд, так и перспективные. Одна из новых меток на этой «карте сокровищ» — как раз пентаборид вольфрама.

Кристаллографы также обнаружили сверхтвердые качества у гидрида марганца, материала, который ранее никогда не изучали как сверхтвердую фазу. Тем не менее, он оказался более твердым, чем стишовит, сверхтвердый оксид кремния, возникающий при ударах метеоритов.

Инструмент для сверла

Инструмент стоит немало, но если Вам требуется для дома сделать несколько отверстий – лучшим вариантом будет аренда перфоратора и покупка сверла. Многие дилетанты путают дрель и перфоратор. Дрель имеет только вращательную функцию, а перфоратор еще и функцию отбойника.

Для работы победитовых свёрл нужен именно перфоратор, иначе на поверхности выполняемых работ будет только вращение, что приведет к соскокам и быстрому износу.

Конечно, можно и обычной дрелью справится, но будет много мороки. При использовании дрели потребуется ёмкость глубокая, где нужно будет охлаждать сверло, а так же кусок арматуры нужного диаметра.

Сверлитесь на определенную глубину, вытаскиваете, забиваете арматуру и вытаскиваете её. И так до полного сверления. Но обычные дрели мало приспособлены под такую работу, потому быстро перегреваются и процесс такого насилия над инструментом длится довольно много.


Победитовые сверла по бетону имеют и свои недостатки. Сверление металла лучше оставить специальной категории сверл, но при натыкании победитовых на металлические элементы или арматуру они могут прийти в негодность.

Для небольших объемов бетонных работ лучше иметь при себе сверло по металлу. При натыкании на арматуру поменять сверла и весьма легко пробить её, после чего вновь сделать замену на победитовое и продолжать работу.

Изготовление отверстий малого диаметра

Для навески полочек, зеркал и прочих предметов мебели, нужны отверстия под пластиковые дюбели или анкера. Как правило, такие гнезда делаются 6 или 8 мм в диаметре. Для этого используется копьевидное сверло по плитке керамической соответствующего размера. Если плитка уже наклеена, работа проводится в два этапа:

  • сверлится сама плитка до момента захода наконечника в плоскость стены;
  • для получения нужной глубины используется перфоратор с буром соответствующего диаметра.

Перед тем, как сверлить плитку, рекомендуется наклеить на стену полоску малярного скотча (иногда используют две полоски крест-накрест). Это уменьшит опасность соскальзывания наконечника сверла с разметки и защитит края отверстия от сколов или растрескивания.

Для проделывания небольших отверстий специалисты рекомендуют использовать ручную дрель. Она позволяет максимально контролировать количество оборотов и силу прижима. Также подходят и электрические дрели, имеющие функцию плавной регулировки скорости. Допускается использование шуруповерта. Главное при сверлении кафеля – отсутствие вибраций и рывков. Обязательно рекомендуется отключить ударную функцию. Верхний слой любой плитки очень хрупкий. Он деформируется даже от малейшего удара.

Читайте также  Что такое класс точности измерительного прибора

Применение перфораторов или ударных дрелей возможно, но только после того, как плитка будет просверлена до упора.

Как пользоваться устройством?

Электрохимическое покрытие одного металла другим, которое устойчивее при механическом движении и химических процессах, позволяет выбрать подходящий диаметр сверла и его вид для разных процессов. Также нужно следить, чтоб насадка не перегрелась. Через равные промежутки времени следует прекращать работу устройства для охлаждения. Недопустимо поливать рабочие части холодной водой. Если при сверлении обнаружилась преграда в толще слоя бетона, следует сменить бур, которым выполняется резка по металлу. Пройдя этот участок вновь вставить прежний. Для несущих стен лучше использовать перфоратор. Мощность этого устройства станет гарантом нужного качества желаемых отверстий.

Сфера применения

Победитовые сверла по большей части применяются для монтажных целей и создания отверстий в высокопрочных строительных конструкциях. Оснастка данного типа используется для выполнения следующих операций:

  • Бурение каменных пород повышенной твердости.
  • Сверление отверстий при прокладке водопровода, вентиляции и канализационных сетей.
  • Монтаж крепежных деталей для мебельных изделий и фурнитуры.
  • Демонтаж конструкций из бетона.
  • Сверление фаянса, стеклянных изделий и керамической плитки.
  • Бурение каналов при прокладке коммуникаций.

Выбор инструмента

Если вы планируете сверлить бетон не в промышленных целях и объемах, а для дома во время ремонта, то можно использовать обычную дрель в классическом варианте, ведь победитовые сверла для дрели нормальная практика. Но тут есть один нюанс, который нельзя не упомянуть: для более легкой работы дрель должна быть с функцией не только вращательных движений, но и поступательных.

Если же будете использовать обычную дрель, нужно применять еще в перерыве между сверлениями металлический штырь или прут, который нужно периодически вбивать в бетон с помощью молотка, а сверло лучше периодически смачивать водой, для охлаждения.

Все же лучшим инструментом для сверления бетона является перфоратор, ведь он намного мощнее дрели, хотя скорость его вращения меньше. За счет его мощности и правильно подобранного сверла для перфоратора можно проделать по сути отверстие любой глубины в бетоне.

Насколько мы знаем, в бетоне есть арматура, шаг которой тяжело предугадать. Этот факт нужно учитывать с точки зрения того, что легко упереться победитовым сверлом в железную арматуру и остановиться, поскольку такое сверло не пройдет метал.

В таком случае лучше всего произвести замену сверла победитового на сверло по металлу и пройти с помощью этого сверла слой арматуры. Затем, при необходимости, продолжить работу с победитовым сверлом.