Способ изготовления алмазной буровой коронки

 

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОЙ БУРОВОЙ КОРОНКИ, включающий укладку |Смеси алмазных зерен с наполнителем и связукщим материалом в пресс-форму, профиль которой соответствует торцовому профилю коронки, прессование корпусом коронки с одновременным нагревом до жидкотекучего состояния связующего материала или с последующей пропиткой, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью увеличения эксплуатационной стойкости коронки путем получения алмазоносного рабочего слоя, обладающего заданной износостойкостью по ширине, торец корпуса для прессования имеет фасонный профиль, высота каждой t-и точки которого равна разности величин усадки алмазоносного слоя в процессе прессования в сечениях, параллельных оси коронки и проходящих через i-ую точку и точку профиля с минимальной высотой, при этом величина усадки в i-м сечении профиля определяется по формуле 1,-H.-.1VV(VM , -,. ч,.н, где Ь и Ьц - величина усадки алмазоносного слоя в процессе прессования в i-м сечении и сечении, про (О ходящем через точку про филя с Минимальной выС сотой-, а с wJ - требуемая износостойкость to. и материала матрицы в тех же сечениях; Н. и Нд - начальная высота алмазоносного слоя до прессования в тех же сечениях с учетом профиля графите00 00 00 пластовой форм1)1.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

PECfMiËÈН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPHTHA (21) 3407605/22-03 (22) 12.03.82 (46) 30.08.84. Бюл. 32 (72) В.Н.Лившиц, A.Н.Ивженко, А.А.Бугаев, P.Ê.Áîãäàíîâ и Т.П.Титова (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт сверхтвердых материалов АН УССР (53), 621.762.4(088.8) (56)1 . Исаев М.И. Технический прогресс и новые достижения в колонковом бурении. М., "Недра", 1976, с ° 87-90.

2. Там же, с.90-9 1 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОЙ

БУРОВОЙ КОРОНКИ, включающий укладку

;смеси алмазных зерен с наполнителем и связующим материалом в пресс-форму, профиль которой соответствует торцовому профилю коронки, прессование корпусом коронки с одновременным нагревом до жидкотекучего состояния связующего материала или с последующей пропиткой, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью увеличения эксплуатационной стойкости коронки путем получения алмазоносного рабочего слоя, обладаю. щего заданной износостойкостью по,.Я0„„111О888 А

3{Я> Е 21 В 10/48, В 22 F 3/14

1 ширине, торец корпуса для прессования имеет фасонный .профиль, высота каждой j-й точки которого равна разности величин усадки алмазоносного слоя в процессе прессования в сечениях, параллельных оси коронки и проходящих через i-ую точку и точку профиля с минимальной высотой, при этом величина усадки в 1-м сечении профиля определяется по форму о ("о " о1 юk

0, где 1 и h0 - величина усадки алмазоносного слоя в процессе прессования в i --м сечении и сечении, проходящем через точку профиля с Минимальной высотой; ш. и и - требуемая износостойкость с ь

Ф материала матрицы в тех же сечениях;

Н. и Н вЂ” начальная высота алмазо1 о носного слоя до прессования в тех же. сечениях с учетом профиля графитопластовой формы.

1 11088

Изобретение относится к технологии изготовления алмазного абразивного инструмента, а именно к технологии изготовления импрегнированных алмазных геологоразведочных коронок.

Известен способ изготовления алмазных буроьлх коронок методом холодного прессования матриц с последующей их пропиткой. Сущность метода заключается в формовании алмазосодер- 10 жащей матрицы в специальной разборной стальной или графитовой прессформе, прессовании или давлении около

1 тс/см и последующей пропитке матрицы пропиточным материалом в электро-1 печах с восстановительной средой с одновременной припайкой ее к стальному корпусу коронки. При охлаждении коронки расплавленный металл затвердевает и цементирует матрицу. Матрицы рб алмазных коронок при данной технологии имеют твердость, измеряемую от

10-15 до 30-45 НЗС 1 1 .

Однако буровые коронки, изготавливаемые по этому способу имеют 0F раниченный срок службы из-за неравномерного износа алмазоносной матрицы в процессе бурения, вызываемого различным распределением возникающих напряжений по ширине матрицы. ЗО

Способ не позволяет получить алмазные буровые коронки, обладающие переменной, наперед заданной и требуемой, износостойкостью рабочего слоя по ширине. Кроме того, способ характеризуется невозможностью изготовления алмазныхимпрегнированных коронок с развитыми геометрическими формами, например с клиновидной, ступенчатой и другими формами алмазоносной мат- 40 рицы, так как этот способ не обеспечивает получение матрицы сложной формы, обладающей одинаковой твер достью и,износостойкостью во всех ее участках из-эа не одинаковой сте- 4> пени сжатия алмазоносной смеси корпусом с ровным торцом в процессе прессования.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо-50 му результату является способ изготовления алмазной буровой коронки, вклю- чающий укладку смеси алмазных зерен с наполнителем и связующим материалом в. пресс-форму, профиль которой соот- зз ветствует торцовому профилю коронки, прессование корпусом коронки с одновременным нагревом до жидкотекучего

8 з состояния связующего материала или с последующей пропиткой, выдержку и охлаждение 2 .

Недостатком этого способа изготовления алмазных буровых коронок является ограниченный срок службы алмазоносных матриц иэ-за неравномерного их износа в процессе бурения, так как способ не позволяет получать алмазоносные матрицы с переменной, наперед заданной и требуемой, износостойкостью по ширине.

Необходимость создания алмазного бурового инструмента, обладающего различной износостойкостью по ширине алмазоносного слоя, вытекает из анализа результатов отработки большого количества серийно выпускаемых алмазных буровых коронок, оснащенных как природными, так и синтетическиМи алмазами. Статистические данные свидетельствуют, что большое число алмазных буровых коронок преждевременно выходит.из строя по причине аномального (одностороннего) износа . алмазоносного слоя, причем преобладающим является износ коронок по внутренней части матричного кольца при бурении трещиноватых горных пород. Таким.образом, для успешного бурения трещиночатых горных пород необходимо создать алмазную буровую коронку, алмазоносная матрица которой была бы более износостойкой со стороны внутреннего диаметра.

Цель изобретения — увеличение эксплуатационной стойкости коронки путем получения алмазоносного рабочего слоя, обладающего заданной изностойкостью по ширине торца матрицы °

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления алмазной буровой коронки, включающему укладку смеси алмазных зерен с наполнителем и связующим материалом в пресс-форму, профиль которой соответствует торцовому профилю коронки, .прессование корпусом коронки с одновременным нагревом до жидкотекучего состояния связующего материала или с последующей пропиткой, выдержку и охлаждение, торец корпуса для прессования имеет фасонный профиль, высота каждой

i-й точки которого равна разности величин усадки алмазоносного слоя в процессе прессования в сечениях, 1110888 параллельных оси коронки и проходящих через 1-ую точку и точку профиля с минимальной. высотой, при этом величина усадки в 1-м сечении профиля.определяется по формуле 5 „(Н h )

В;-н1 . н где Ь и Ъ вЂ” величина усадки алмазоносного слоя в процессе прессоваяия в i-м сечении и сечении, проходящем через точку профиля с минимальной высотой 15

u) и щ - требуемая иэносостойi o кость материала яатрицы в. тех же сечениях; и Н вЂ” начальная высота . алi о мазоносного слоя до прессования в тех же сечениях с учетом профиля графитопластивой формы, 25

На фиг.1 показан корпус и алмазосодержащая шихта в графитовой форме, положение до прессования; на фиг.2то же, в момент прессования и нагрева; на фиг.3 — - схема изготовления ЗО алмазной буровой коронки с развитыми геометрическими формами алмазоносной матрицы, имеющей форму одностороннего клина, обращенного вершиной к кернообразующей части и имеющей 35 переменную, наперед заданную, износостойкость по ширине.

Сущность способа заключается в том, что для прессования алмазных матриц буровых коронок методом горячего прес-40 сования применяют стальной корпус

1, торцовая часть 2 которого имеет фасонный профиль,при этом участок торца корпуса, под которым требуется получить более износостойкую матрицу 45 должен иметь превышение по отношению к участку с менее износостойкой матрицей.

Алмазоносную смесь 3 с твердосплавным наполнителем и легкоплавким пропитывающим материалом помещают в графитовую форму 4..В процессе нагрева и прессования алмазоносной смеси 3 принятым корпусом 1 в зависимости от его профиля происходит

55 различное изменение высоты алмазоносной смеси 3 относительно его первоначального положения 5, т.е. происходит уплотнение алмазоносной смеси с различной степенью сжатия. В результате этого под выступающей частью торца корпуса образуется участок алмазоносного слоя, обладакиций более высокой концентрацией алмазов. Так как прессование матрицы производится с одновременным нагревом смеси до жидкотекучего состояния связуницего материала, то происходит его перераспределение, т.е. выдавливание части связующего материала из более сжатого в менее сжатый объем, обеспечивая тем самым получение соответственно участков с большей и меньшей твердостью.

Таким образом, участок матрицы, обладающий более высокой концентрацией алмазов и более высокой твердостью, является и более износостойким по отношению к менее сжатому участку, причем износостойкость и степень сжатия находится в пропорциональной зависимости. В конечном результате, применяя различные варианты профиля торца корпуса коронки и тем самым обеспечивая различную степень сжатия алмазоносной смеси на различных участках, возможно полу" чение алмазных буровых коронок, обладающих переменной, наперед заданной, износостойкостью Ilo ширине алмазоносной матрицы. Решение задачи сводится к определению величины превьппения выступающих участков на торце корпуса, а эти превышения должны соответствовать разности величины усадки алмазоносного слоя в процессе прессования. Величина усадки алмазоносного слоя h; и требуемая износостойкость ш,в любом -ом сечении профиля находятся в следующей зависимости ("о о) 1 о где Ъ, и 1 — величина усадки алмазной смеси в.процессе прессования в i-м сечении и сечении, проходящем через тсчку профиля с минимальной высотой, мм и).и ы - требуемая изностойкость

1 о материала матрицы в тех же сечениях, отн. ед.

H. u H — начальная высота алмазонос0 ного слоя до прессования в тех же сечениях с учетом профиля графитопластовой формы, мм.

8 а

Ъ вЂ” то же, в сечении профйля, проведенном параллельно оси вращения коронки через точку

С с минимальной высотой;

Ее значение определяют из следующих соображений. Высота алмазного слоя в готовом изделии должна быть не менее 3 мм со стороны наружного диаметра, матрица должна быть стандартной, т.е. ее твердость должна быть равна 20-25 единиц HRC. Для выполнения этих требований согласно технологии изготовления алмазных изделий указанным сПособом начальная высота алмазоносной смеси до прессования должна быть на 40-45 . больше, чем высота алмазного слоя в готовом изделии, что составляет величину усадки равной

S 111088

Такии образом, исходя из конструктивных размеров алмазной буровой коронки и задаваясь требуемым соотношением величин износостойкости различных участков алмазоносной матрицы, 5 находят соответствующие величины усадки алмазоносной смеси в процессе прессования и затем определяют профиль торца корпуса.

Пример. Необходимо изготовить алмазную иипрегнированную буровую коронку ф 76 мм, матрица которой имеет форму одностороннего клина с вершиной, имеющей угол 45 и обращенной к внутренней, кернообразу щей части 15 коронки, причем износостойкость матрицы, например стандартная с внешней стороны, должна равномерно увеличиваться по всей ширине от внешней до внутренней поверхности матричного кольца и отношение ее крайних зна3,0х43 чений должно быть равным 1:1,5, т.е. износостойкость матрицы со стороны

00 . внутреннего диаметра должна быть в 1,5 раза выше, чем со стороны наружного. Высота алмазного слоя в гото вом изделии с внешней стороны должна быть не менее 3 мм, ширина матричного кольца 9 мм.

Поставленная задача может быть решена способом изготовления алмазных буровых коронок методом горячего прессования с использованием корпуса, торцовая часть которого .выполнена в виде усеченного конуса (см.фиг.3). Для изготовления корпуса коронки с таким торцом, обеспечивающим получение требуемого соотношении износостойкостей Участков Н.= Н +9 0=4 3+9 0=13 3 мм

40 0 матрицы, необходимо определить величину превышения вершины наиболее высокой точки А относительно точки профиля с наименьшей высотой — относительно внешней точки профиля С.

Так как величина превышения в данном

45 случае равна разности величин усадки „(4 3-1,3) алмазоносной смеси в процессе пресования в крайних точках, необходимо х4 3 определить их значения по приведенной вьппе зависимости

25 и)„и и>о- требуемая наибольшая и наименьшая износостойкость материала матрицы, выраженная соотношением 1,5:1;

Н. и И вЂ” начальная высота алмазонос1 ного слоя до прессования в тех же сечениях

H = 11„+3,0=1,3+3,0=4,3 мм

Н. — значение увеличивается за

1 счет углубления профиля графитопластовой формы на 9 мм и равно

Тогда о 1(о о) " 1х13 Зх

Ь.=Н.

1 1

=7,1 мм.

5О Величина превьппения вершины конуса А относительно его основания составляет о о", " о "о)

I где Ь; - величина усадки алмазной сме- ло 7, 1-1, 3=5, 8 мм, си в процессе прессования 55 в сечении профиля, проведен- что соответствует углу ВАС, равному ном через точку А параллельно 58 . Таким образом, необходимо исоси вращения коронки; пользовать корпус буровой коронки

1 110888 с торцоной частью, выполненной н ниде усеченного конуса с вершиной, .имеющей угол 116 . В дальнейшем нсе операции производят н соответствии с технологией изготовления алмазных 5 буровых коронок методом горячего прессования. Ллмазоносную смесь, состоящую из алмазных зерен, гранулированных тнердосплавным наполнителем и порошком легкоплавкого связующего 10 материала, помещают в графитопластовую форму, укладывают подрезные элементы и принарочный слой. Затем устанавливают корпус буровой коронки с торцом н виде. усеченного конуса 15 и производят нагревание пресс-формы и находящейся н ней алмазоносной смеси током высокой частоты до

1180 С с одновременным сжатием на гидравлическом прессе с усилием Р= 20

=100 .кгс/см . После окончания one2 рации пресс-форма охлаждается и корон". ка поступает на механическую обработ ку»

30

40

В результате проведенных испытаний определено, что общая проходка на коронку с фасонным профилем торца корпуса выше на 387. по сравнению с коронками с ровным торцом корпуса, При этом износ профиля матрицы этих коронок происходит более равномерно

55 по всему объему с сохранением клиновидной. формы, в то время как в базовых коронках происходит увеличенный износ выступающей части с постепенным закруглением торца коронки, Предлагаемый способ. позволяет устранить некоторые недостатки изготовления алмазных коронок методом холодного прессования одним из недостатков указанного способа является невозможность изготовления имнрегнированных алмазньг буровых коронок с развитыми геометрическими формами алмазной матрицы, например с клиновидной ступенчатой и другими сложными формами, обладающих высокой износостойкостью выступающих элементов матрицы. В существующих типах алмазных импрегнированных буровых . коронок с развитыми геометрическими формами типа БСМ, БСТ, БСБ -ССК в процессе отработки происходит повьппенный износ выступающих элементов режущей части матрицы, вследствие чего теряются их конструктивные преимущества и эффективность. Основная причина такого аномального износа выступающих элементов матрицы заключается в том, что в процессе холодного прессования алмазоносная смесь имеет способность сжиматься до определенной величины, определяемой конкретным значением пористости. Поэтому алмазоносная смесь, находящаяся в графитовой форме со сложной конфигурацией, спрессовывается ровным корпусом с неодинаковой степенью сжатия, и наиболее высокие и выступающие части алмазоносной матрицы оказываются н(допрессона иными по отнсппению к максимально спрессованным низким участкам. Недопрес с овка отдельных участков матрииы приводит к снижению кониентрации алмазов и твердости, т.е. к снижению износостойкости этих участков по отношению к нормально спрессованным.

Предлагаемый способ позволяет устранить указанный недостаток путем использования для прессования матрицы коронки корпуса с фасонным профилем торцовой части и изготовлять способом холодного прессования алмазные импрегннрованные буровые коронки с развитыми геометрическими формами режущей части, обладающей высокой износостойкостью всех элементов матрицы. Решение задачи в этом случае производится аналогичным образом, что и при горячем прессовании, путем определения формы и размеров фасонного профиля Торца корпуса буровой коронки. Значения

Ф износостойкости u) и оз, вводимые о при этом в напряжение, принимаются равными на всех участках и их отношения должны равняться единице.

Получение высокой износостойкости матрицы всех ее элементов в этом случае достигается прессованием алмазоносной смеси специальным корпусом с одинаковой степенью сжатия, что обеспечивает получение высокой твердости матрицы и одинаковой концентрации алмазов во всех ее участках.

Цля производственных испытаний изготовлены по предлагаемому способу две партии опытных коронок типа

БСТ ф 76 мм, отличающихся по конструкции корпуса — одна партия с ровным торцом корпуса, другая с фасонным, выполненным в виде усеченного конуса с углом при вершине

116 .

1 110888

Составитель С. Денисова

Редактор H. Киштулинец Техред П.Коцюбняк Корректор М.1Иароши

Заказ 6283/25 Тираж 563

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

123035, 22осква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 что свидетельствует о меньшей износостойкости алмазосодержащей матрицы в этом участке.

Экономическая эффективность от ис пользования буровых коронок, обладающих переменной износостойкостью алмазоносной матрицы и изготовленных по предлагаемому способу, составляет 15 р. на одну корон5 ку °