Способ изготовления породоразрушающего инструмента



Способ изготовления породоразрушающего инструмента
Способ изготовления породоразрушающего инструмента
Способ изготовления породоразрушающего инструмента
Способ изготовления породоразрушающего инструмента

 


Владельцы патента RU 2566252:

Открытое акционерное общество "Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие (ОАО "Тульское НИГП") (RU)

Изобретение относится к изготовлению породоразрушающего инструмента. Формируют в графитовой форме композиционную матрицу инструмента, содержащую включения в виде алмаза или твердого сплава, прессуют, затем проводят нагрев спрессованного инструмента до температуры пропитки с горячим прессованием и охлаждают инструмент на воздухе до 350°C. После снятия графитовой формы погружают инструмент в воду комнатной температуры и проводят последующую сушку. После сушки проводят закалку инструмента криогенной обработкой путем погружения его в жидкий азот и выдержкой в нем 16-20 минут, при этом формирование композиционной матрицы в графитовой форме осуществляют с учетом ожидаемого уровня остаточных напряжений в инструменте после криогенной обработки. Обеспечивается повышение стойкости и качества породоразрушающего инструмента. 1 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления алмазного и твердосплавного породоразрушающего инструмента матричного типа, в частности коронок для колонкового бурения, долот для бескернового бурения, тонкостенных кольцевых сверл для сверления бетона и железобетона и т.п.

Известен способ изготовления алмазного и твердосплавного породоразрушающего инструмента путем формирования матрицы в графитовой форме, прессования, нагрева до температуры пропитки и охлаждения (см. Н.И. Корнилов, B.C. Травкин, Л.К. Берестеев, Д.И. Коган: М.: Недра, 1979, 354 с.).

Недостатком этого способа изготовления является то, что породоразрушающие элементы (алмазные и твердосплавные зерна) в матрице удерживаются только за счет слабого физического обжатия и сравнительно быстро выпадают из тела матрицы после обнажения их в процессе разрушения горной породы на забое скважины, что обуславливает низкую стойкость инструмента.

Известен также способ изготовления породоразрушающего инструмента, включающий формирование матрицы в графитовой форме, прессование, нагрев до температуры пропитки, охлаждение, отличающийся тем, что после нагрева до температуры пропитки производят горячее прессование инструмента, а затем его охлаждают до 350°C на воздухе с изотермической выдержкой при этой температуре 10-15 минут и далее погружают в воду, имеющую комнатную температуру с выдержкой до принятия температуры воды (см. патент на изобретение №220244 В22F «Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента», 20.03.2001).

Недостатком этого способа является недостаточно прочное удержание алмазов в матрице алмазной коронки, что обуславливает пониженную стойкость его при бурении.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение важного технического результата - повышение стойкости и качества породоразрушающего инструмента за счет увеличения уровня остаточных напряжений сжатия и связанного с ним улучшения удержания породоразрушающих элементов (алмазных или твердосплавных резцов) в матрице.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе изготовления породоразрушающего инструмента, включающем формирование матрицы в графитовой форме, прессование, нагрев до температуры пропитки и охлаждение до 350°C и далее погружение в воду, имеющую комнатную температуру, с последующей сушкой, после сушки породоразрушающий инструмент подвергают криогенной обработки путем погружения в жидкий азот с выдержкой в нем 16-20 минут, при этом ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице породоразрушающего инструмента после криогенной обработки определяют по зависимости

σ 0 = a K Δ T ( α м ¯ α в ¯ ) 1 2 ν в Е в + [ 1 + ( α м ¯ α в ¯ ) Δ T ] 1 + ν м 2 Е м ,

где σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице инструмента, МПа;

a - коэффициент пропорциональности (a=0,85÷0,95);

K - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов K=0,36, а для алмазов K=0,31;

αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °C-1;

ΔT - разница начальной и конечной температур, °C;

νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

Eв, Eм - модуль нормальной упругости материала включения и матрицы соответственно, МПа.

Благодаря тому, что после сушки породоразрушающий инструмент подвергают криогенной обработке путем погружения в жидкий азот с выдержкой в нем 16-20 минут происходит комплексный термоудар, что приводит к повышению уровня остаточных напряжений сжатия, что улучшает удержание породоразрушающих элементов в матрице коронки. Причем при выдержке менее 16 минут не происходит увеличения уровня остаточных напряжений, а при выдержке более 20 минут уже не возрастает достигнутое значение уровня остаточных напряжений.

Определение остаточных макронапряжений σ1, σ2 и внутренних микронапряжений (σвн) производим метод рентгеноструктурного анализа с использованием обратной съемки на дифракторе. Следует заметить, что в данном случае термины макро и микро обозначают только пространственные масштабы объемов, в которых действуют эти напряжения. Результаты определения остаточных напряжений и характеристик субструктуры в медно-никелевом сплаве представлены в табл. 1. При этом в качестве главного остаточного напряжения σ1 всегда принимаем наибольшее (σ1, σ2) из двух измеренных остаточных напряжений.

Из таблицы видно, что изменение начальной температуры термоудара по режиму А наиболее существенно сказывается на величине главного остаточного напряжения σ1. Изменение остальных параметров и характеристик выражено значительно слабее и, в принципе, вполне сопоставимо с погрешностью использованных для их определения экспериментальных методик.

Наибольшее увеличение уровня остаточных напряжений наблюдается от начальной температуры Тн=350°C. Именно эта температура и была взята для проведения термоудара на первой ступени при обработке матрицы по режимам. Из табл. 1 также следует, что комплексный термоудар по режиму В, дополняющий закалку от повышенных температур криогенным термоударом, приводит к повышению уровня остаточных напряжений на 10 и 30%. При температурах 350 и 400°C соответственно, что обуславливает повышение качества удержания породоразрушающих элементов в матрице породоразрушающего инструмента и повышение его работоспособности.

Вследствие того, что ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице породоразрушающего инструмента после криогенной обработки определяют по зависимости

где σ0 -ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице инструмента, МПа;

а - коэффициент пропорциональности (а=0,85÷0,95);

К - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов К=0,36, а для алмазов К=0,31;

αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества

матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °C-1;

ΔT - разница начальной и конечной температур, °C;

νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

Eв, Eм - модуль нормальной упругости материала включения и матрицы соответственно, МПа,

можно определить рациональный состав композиционной матрицы породоразрушающего инструмента.

Для определения ожидаемого уровня остаточных напряжений в матрице инструмента можно записать зависимость

где σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений, МПа;

К - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов К=0,86

С учетом коэффициента пропорциональности а формула (2) примет вид:

где а - коэффициент пропорциональности (а =0,85÷0,95);

σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений, МПа;

К - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов К=0,86;

σР - расчетное напряжение, создаваемое в матрице после криогенной обработки, МПа. Оно определяется по методике (В.И. Спирина и Д.М. Левина. Новые направления создания алмазного породоразрушающего инструмента. Тул. гос. ун-т. - Тула, 2000. - 149 с).

где σρ - расчетное напряжение, создаваемое в матрице инструмента, МПа;

αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °С-1;

Tн и Tк - температура начальная и конечная соответственно, °С;

σм, σв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

Eм, Eв - модуль нормальной упругости материала матрицы и включения соответственно, МПа.

Как видно из формулы (4), основное влияние на уровень формирующихся напряжений оказывает в первую очередь разность начальной и конечной температур, характеризующих термоудар, то есть величина ΔТ, а не собственно значение Tн и Tк температур. Поэтому можно рассматривать термоудар как операцию, которую возможно проводить в любом температурном диапазоне как в области криогенных температур, так и при температурах выше комнатных. Главное условие, обеспечивающее результативность термоудара - достаточная величина температурного перепада ΔТ. С учетом этого запишем формулу (4) в виде

где σρ - расчетное напряжение, создаваемое в матрице инструмента, МПа;

αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °C-1;

Tн и Tк - температура начальная и конечная соответственно, °C;

νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

Eм, Eв - модуль нормальной упругости материала матрицы и включения соответственно, МПа.

Подставив формулу (2) в выражение (5), получим

где σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице инструмента, МПа;

a - коэффициент пропорциональности (a=0,85÷0,95);

К - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов К=0,36, а для алмазов К=0,31;

αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °C-1;

ΔТ - разница начальной и конечной температур, °C;

νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

Eв, Eм - модуль нормальной упругости материала включения и матрицы соответственно, МПа.

Таким образом, в результате комплексного термоудара охлаждение от начальной (повышенной) температуры до конечной (комнатной) температуры и криогенной обработки (резкое охлаждение (закалка) от комнатной температуры до -196° и выдержкой в течение 16-20 минут в матрице инструмента формируются напряжения сжатия, что приводит к повышению удерживающей способности не только за счет сил адгезии, но и вследствие механического удержания окружающими объемами связей.

Способ осуществляется следующим образом: формирует матрицу, содержащую породоразрушающие элементы в виде алмаза или твердого сплава, в графитовой форме, прессуют ее корпусом инструмента, внутрь которого помещают медно-никелевую связку. Спрессованный инструмент нагревают на печи ТВЧ до температуры пропитки и производят горячее прессование, после чего инструмент охлаждают на воздухе до температуры 350°C с изометрической выдержкой при этой температуре 10-15 минут. Затем инструмент освобождают от графитовой формы и погружают в воду, имеющую комнатную температуру, с выдержкой до принятия температуры воды. После чего инструмент подвергают сушке, а затем погружают в жидкий азот при температуре его кипения с выдержкой 16-20 минут и повышают температуру до комнатной, сушат инструмент и подвергают его механической обработке.

По этому способу изготовлена опытная партия коронок в ОАО «Тульское НИГП», которая испытана путем бурения плановых скважин в производственных условиях Центрально-Кольской экспедиции. При этом установлено, что применение алмазных коронок, изготовленных по данному изобретению, позволяет повысить по сравнению с базовыми коронками стойкость породоразрушающего инструмента на 20-40% и механическую скорость бурения на 25-30%.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в повышении стойкости инструмента на 20-40% и механической скорости бурения на 25-30%.

Способ изготовления породоразрушающего инструмента, включающий формирование в графитовой форме композиционной матрицы инструмента, содержащей включения в виде алмаза или твердого сплава, прессование ее корпусом инструмента, нагрев спрессованного инструмента до температуры пропитки с горячим прессованием, охлаждение инструмента на воздухе до 350°C, погружение инструмента после снятия графитовой формы в воду комнатной температуры и последующую сушку, отличающийся тем, что после сушки проводят закалку инструмента криогенной обработкой путем погружения его в жидкий азот и выдержкой в нем 16-20 минут, при этом формирование композиционной матрицы в графитовой форме осуществляют с учетом ожидаемого уровня остаточных напряжений в инструменте после криогенной обработки, определяемого по следующей зависимости:
σ 0 = a K Δ T ( α м ¯ α в ¯ ) 1 2 ν в Е в + [ 1 + ( α м ¯ α в ¯ ) Δ T ] 1 + ν м 2 Е м
где σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице инструмента, МПа;
a - коэффициент пропорциональности, равный 0,85÷0,95;
K - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в композиционной матрице, причем для матрицы, содержащей включения в виде твердого сплава, K=0,36, а для матрицы, которая содержит включения в виде алмазов, K=0,31;
αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения материала матрицы и материала включений, °C-1;
ΔТ - разница между начальной температурой инструмента перед криогенной обработкой, равной 350°C, и конечной температурой криогенной обработки, равной -196°C, °C;
νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включений;
Eм, Eв - модуль нормальной упругости материала матрицы и включений, МПа.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к изготовлению электротехнических изделий из композиционного материала. Электротехническое изделие изготовлено из токопроводящего композиционного материала формованием методом холодного прессования, при этом токопроводящий композиционный материал содержит 40÷55 мас.% порошка естественного графита, 30÷15 мас.% связующего на основе новолачной смолы, 30 мас.% медного порошка и дополнительно поливинилацетат в качестве пластификатора в количестве 9÷35 мас.% от суммарной массы порошкообразных компонентов.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению пористых металлических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и может использоваться в медицинской имплантологии.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению высокотемпературных композиционных материалов на основе ниобия с оксидным упрочнением.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству деформируемых автоматных сплавов на основе алюминия, содержащих магний и свинец. Способ включает загрузку в печь и расплавление всех предусмотренных компонентов шихты, кроме магния и свинца, которые вводят в расплав в виде лигатуры, содержащей 70-40% магния и 30-60% свинца, после чего расплав перемешивают, рафинируют, отстаивают и кристаллизуют.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на магниевой основе и способам их получения. Способ получения сплава на магниевой основе включает обеспечение расплава магния или магниевого сплава, добавление 0,01-30 мас.% оксида щелочноземельного металла на поверхность расплава, поверхностное перемешивание в течение от 1 секунды до 60 минут на 0,1 мас.% добавленного оксида щелочноземельного металла с обеспечением его диссоциации и частичного расходования, обеспечение возможности взаимодействия щелочноземельного металла, полученного в результате расходования оксида щелочноземельного металла, с магнием и/или легирующим элементом в магниевом сплаве с получением интерметаллического соединения, удаление оксида щелочноземельного металла, остающегося после реакции, вместе со шлаком, разливку и кристаллизацию.
Изобретение относится к области металлургии благородных металлов, в частности к производству платины или платинородиевых сплавов, упрочненных дисперсными оксидными частицами, и может быть использовано при изготовлении стеклоплавильных аппаратов (СПА) и фильерных питателей (ФП), эксплуатируемых в агрессивных средах в условиях высоких температур.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при выплавке сплавов для литья лопаток газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения композиционного материала на основе никеля включает перемешивание порошков для приготовления матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к материалам для изготовления штамповочного инструмента. Пуансон из цементированного карбида для изготовления металлических банок для напитков.

Изобретение относится к получению литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава для изготовления деталей сложной формы. Расплавляют основу, вводят в нее композицию, включающую армирующие частицы Аl2О3, на поверхности которых механической активацией предварительно сформирован слой Аl, и разливают в форму.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу изготовления трехмерного изделия. Способ изготовления трехмерного изделия (11) из жаропрочного сплава на основе никеля, кобальта или железа (12) характеризуется тем, что осуществляют последовательное нанесение на пластину-подложку порошка или суспензии порошка сплава на основе никеля, кобальта или железа и наращивание изделия аддитивным процессом с получением изделия (11) с анизотропией свойств.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационного упрочнения поверхностей изделий из твердых сплавов, в частности режущего инструмента из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой.

Группа изобретений относится к получению азотированных спеченных стальных деталей. Получают предварительно легированный стальной порошок на основе железа, включающего менее 0,3 мас.% Mn, по меньшей мере один элемент из группы: 0,2-3,5 мас.% Cr, 0,05-1,2 мас.% Mo и 0,05-0,4 мас.% V, и максимум 0,5 мас.% неизбежных примесей.

Изобретение относится к области порошковой металлургии сплавов на основе алюминия, используемых в подшипниках скольжения. Cпособ получения антифрикционного износостойкого сплава на основе алюминия включает получение смеси чистых порошков алюминия и олова, содержащей 35-45% вес.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения деталей аддитивным спеканием. Предложен способ производства детали на основе сплавов Co-Cr-Mo, имеющих значения среднего предельного удлинения при 800°C более 10% и среднего предела текучести при 800°C более 400 МПа.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в производстве тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, работающих в условиях градиента температуры и имеющих механические свойства, меняющиеся по сечению.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изделиям из твердых сплавов, применяемым для холодной и горячей механической обработки металлов и сплавов, например, резанием.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изделиям из карбидсодержаших твердых сплавов, применяемым для холодной и горячей механической обработки металлов и сплавов, например, резанием.

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых для холодной и горячей механической обработки металлов и металлических сплавов, например, резанием.

Изобретение относится к обработке металлокерамических материалов резанием, в частности к формированию поверхностного слоя пористых металлокерамических спеченных материалов, которые могут быть использованы при производстве деталей из антифрикционных материалов, которые применяются в качестве самосмазывающихся подшипников скольжения для установки в спидометрах, распределителях зажигания, стартерах, стеклоочистителях, стеклоподъемниках автомобилей и тракторов, глубинных насосах, бытовой технике.

Изобретение относится к прессованию порошковых заготовок в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Устройство содержит контейнер с расположенной в ней цилиндрической матрицей, верхний и нижний пуансоны, рабочие поверхности которых расположены напротив друг друга с образованием замкнутого пространства, верхний и нижний пневмоцилиндры, которые посредством штоков соединены соответственно с опорными поверхностями верхнего и нижнего пуансона.
Наверх