Способ изготовления породоразрушающего инструмента

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

$${\sigma }_0=-\frac{aK\Delta T\left(\overline{{\alpha }_{м}}-\overline{{\alpha }_{в}}\right)}{\frac{1-2{\nu }_{в}}{{Е}_{в}}+\left[1+\left(\overline{{\alpha }_{м}}-\overline{{\alpha }_{в}}\right)\Delta T\right]\frac{1+{\nu }_{м}}{2{Е}_{м}}}$$ ,

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;

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

ΔT - разница начальной и конечной температур, °C;

ν_м, ν_в - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

E_в, E_м - 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 (σ_вн) 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 Т_н=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;

α_м, α_в - термические коэффициенты линейного расширения вещества

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

ΔT - разница начальной и конечной температур, °C;

ν_м, ν_в - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

E_в, E_м - 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;

σ_Р - 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 σ_ρ - расчетное напряжение, создаваемое в матрице инструмента, МПа;

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

T_н и T_к - температура начальная и конечная соответственно, °С;

σ_м, σ_в - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

E_м, E_в - 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 T_н и T_к 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 σ_ρ - расчетное напряжение, создаваемое в матрице инструмента, МПа;

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

T_н и T_к - температура начальная и конечная соответственно, °C;

ν_м, ν_в - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

E_м, E_в - 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;

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

ΔТ - разница начальной и конечной температур, °C;

ν_м, ν_в - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;

E_в, E_м - 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:
$${\sigma }_0=-\frac{aK\Delta T\left(\overline{{\alpha }_{м}}-\overline{{\alpha }_{в}}\right)}{\frac{1-2{\nu }_{в}}{{Е}_{в}}+\left[1+\left(\overline{{\alpha }_{м}}-\overline{{\alpha }_{в}}\right)\Delta T\right]\frac{1+{\nu }_{м}}{2{Е}_{м}}}$$
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;
α_м, α_в - 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;
ν_м, ν_в - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включений;
E_м, E_в - модуль нормальной упругости материала матрицы и включений, МПа.