Породоразрушающая вставка для буровых долот

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советски к

Соцнапнстичесинн

Республик

< 911003 (63) Дополнительное к авт. санд-ву(22) Заявлено 26.05.80 (2l ) 2935582/22-03 (5I)M. Кл.

Е 21 В 10/46 с присоединением заявки №

5тоударотоанныИ коннтот

СССР (23) Приоритет—

Опубликовано 07.03.82. Бюллетень № 9

Дата опубликования описания 09.03.82 ао делан нэобретеннй н открытий (53) УЙК 622.. 24.05. 55 (088. 8) В. И. Третьяков, Т. А. Емельянова, (j>. И. Сереброва, В. П. Арестов и В. А. Сар сьян

I"

Всесоюзный научно-исследоват ельский.тт" ттреекч ны й- институт тугоплавких металлов и твердых сплавов (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ПОРОДОРАЗРУШАЮШАЯ ВСТАВКА ДЛЯ БУРОВЫХ

ДОЛОТ!

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, в частности к породоразрушающим элементам буровых долот.

Известна твердосплавная пластинка для бурового инструмента, отличающаяся тем, что твердость пластинки увеличивается от центра к периферии (1) .

Известны буровые коронки, режущие элементы которых выполнены многослойными, износостойкие части режущих элементов выполнены иэ сплава с вкраплениями алмаза (2) .

Недостатком известных вставок является то, что обе части вставки, выполняющие различные функции, изготовлены из одного и того же материала. Твердые сплавы ВК 8В, ВК8ВК, ВК11В, ВК11ВК, ВК15 обпадают высокой твердостью и износостойкостью, поэтому рабочая головка вставок хорошо сопротивляется износу при разрушении горных пород, но ципиндрическая часть вставки, не обладающая достаточной прочностью, не выдерживает высоких силовых нагрузок, и вставки выходят из строя, не достигнув катастрофического износа. Поломки вставок приводят к. снижению производительности труда при бурении и большим потерям дефицитного твердого сплава, Цель изобретения — улучшение эксплуатационных свойств вставки за счет повышения прочности и ударной вязкости ее цилиндрической части при одновремент" ной экономии дефицитного кобальта и вольфрама.

Указанная цель достигается за счет . того, что двухслойная вставка выполнена из неоднородных по составу и структуре твердых сплавов, причем рабочая головка выполнена из спеченного твердого сплава с кобальтовой связкой, а ци- линдрическая часть — из твердого сплава с железо-никелевой связкой.с зернистостью менее зернистости сплава рабочей головки. Рабочая головка может быть выполнена иэ спеченного твердого сплава в 3-8 вес. % кобальта, размеры

3 4 требуемых прочностных свойств цилиндрическая часть вставки должна, в основном, содержать карбидные зерна с размером 1-2 мкм. Использование более мелкозернистых сплавов приводит к снижению эксплуатационной проччости. Размеры карбидных зерен в головке зубка должны составлять 2-5 мкм. При более крупном зерне износостойкость зубка снижается.

Пример 1. Изготавливаются двухслойные шарошечные вставки форм Г2629, Г2659, Г2661 по ГОСТ 880-75. Для изготовления рабочей головки вставки используют твердосплавную смесь ВК4ВК, содержащую 4 Со, остальное — карбид вольфрама. Для изготовления цилиндрической основы применяют смесь, содержащую

20 железо-никелевой связки при отношении F8: Na = 80:20, остальное — карбид вольфрама. Размеры основной массы карбидных зерен в рабочей головке спеченной вставки составляют 2-5 мкм, а в цилиндрической части — 1-2 мкм.

При спекании происходит обогащение рабочей головки вставки железом и никелем и. обеднение ее кобальтом, поэтому спеченные изделия характеризуются непрерывным изменением концентрации компонентов связки, что обеспечивает требуемые механические и эксплуатационные свойства.

Спеченные вставки имеют в цилиндрической части твердость 85, 8 Н А, а в рабочей головке — 88 . -@А.

Пример 2. Проводятся опытнопромышленные испытания шарошечных долот 2Р-2430КПВА, армированных двухслойными твердосплавными вставками с полусферической формой породоразрушающей вершины. Рабочая головка

1 вставки изготавливается из сплава ВК8ВК, а цилиндрическая часть — из сплава

ВЖН15 (К/С +15 железо-никелевой связки при отношении FB; Nj = 80:20). В шарошечном долоте двухслойными вставками армируются только периферийные венцы шарошек. Испытания проводятся по амфиболо-биотитовым гнейсам и железистым кварцатам с коэффициентом крепости = 10-12 и 12-14. Осевая нагрузка на долото составляет 25-27 т, скорость вращения долота - 100 об/мин.

Испытывают 3 долота. Проходка на долото составляет 118, 181 и 106 м. Основной причиной выхода долот из строя является износ подшипниковой опоры с последующим заклиниванием шарошек.

Вставка, цилиндрическая часть которой выполнена из твердого сплава, содержащего более 25/o железо-никелевой связки, а рабочая головка — из твердого сплава с.содержанием кобальта менее

3%, обладает низкими эксплуатационными свойствами, что связано с расслаиванием двухслойных заготовок уже при спекании за счет существенной разницы в коэффи-, циентах усадки.

Если основная масса карбидных зерен

50 в рабочей головке вставки имеет размеры менее 2 мкм, a a цилиндрической части -. более 2 мкм, при спекании происходит полное выравнивание концентрации связки по сечению двухслойной заго- 55 товки, при этом не обеспечивается достаточная, твердость и износостойкость рабочей части вставки. Для обеспечения

3 91100 основной массы карбидных зерен составляют 2-5 мкм.

Цилиндрическая часть вставки выполнена из твердого сплава с 15-25 вес. железо.0никелевой связки при отношении

Pe: Й 65:35 - 85:15 с величиной карбидных зерен 1-2 мкм:

На фиг, 1 представлена предлагаемая вставка сферической формы, общий вид; на фиг. 2 - то же, клиновидной формы.

Вставка включает рабочую головку 1 и цилиндрическую часть 2. Рабочая головка выполнена из твердого сплава на основе карбида вольфрама, содержащего

3-8% Со, что обеспечивает ее высокую 15 твердость (88-90HRA) . Повышение . концентрации кобальта приводит к снижению твердости и износостойкости рабочей головки.

Цилиндрическая часть, выполненная из твердого сплава с железо-никелевой связкой, обладает повышенной прочностью и ударной вязкостью (g»г ? 200кГ/мм, С ?r 1,2 кГм/см -), если концентрация связки составляет не менее 15%, а от- 25 ношение железа к никелю находится в пределах 65:35 — 85:15. При уменьшении содержания связки прочность и ударная вязкость цилиндрической части вставки не превышает соответствующих свой- 30 ств стандартных вставок (бgyp ЙООкГ/мм

Ol < 1 кГм/см ). Нецелесообразно применять связку, в которой отношение железа к никеюпо менее 65:35 или более

85:15, поскольку при такой концентрации компонентов снижаются прочностные свойства цилиндрической части вставки и увеличивается число поломок вставок при эксплуатации.

5 911003 6

Твердосплавное вооружение оказывается Таким образом, проведенные испытаработоспособным по всем венцам шаро- ним позволяют установить, что работошек и имеет незначительное количество способностй, прочность и износостойкость о/ 1 поломок (до 5 ). двухслойных вставок находятся на уровне

Пример 3. Шарошечные долота 5 соответствующих показателей зубков из

111 244,5 ОК-ПВ армируют двухслой- сплава ВК8В. ными вставками 126 по ГОСТ 880-75. Применение двухслойных вставок раЭ

Рабочая головка вставки изготавливает- бочая головка которых выполнена из ся из сплава ВК4ВК, а цилиндрическая твердого сплава с 3-8 вес. " кобальта

+++++1 часть — из сплава ВЖН15 (15% железо- 10 а цилиндрическая часть — из твердого никелевой связки при отношении FB: Й = сплава с 15-25 вес. железо-никелевой

65:35). Для сравнения берут аналогич- связки, обеспечивает значительную эконое долото, армированное серийными зуб- номию дефицитных материалов (вольфраками из сплава ВК8В. ма и кобальта).

20

Пример 4. Долото, оснащенное двухслойными вставками ВКЗВК/ВЖН25 10 (25 железо-никелевой связки при отношении Fe/% =-80/20), опробывают при кратковременном бурении гранита на различных режимах (нагрузка 28- 29 и

24-25 тс, скорость вращения — 80 и

120 об/мин), И в этих опытах работоспособность двухслойных вставок практически не отличается от работоспособности вставок из сплава ВК8В. На первом режиме бурения механическая скорость проходки для опытного долота составляет 91%, а на втором режиме — 106% от скорости стандартного долота.

Вначале проводят отработку долот на стальном забое на стенде 3-525

СКБ С10. Нагрузка составляет 28-30тс, скорость вращения — 85-90 об/мин.

Стойкость опытного долота составляет

12,3 ч, а стойкость базового долота—

11 3 ч. Испытания прекращают по причине заклинивания одной из шарошек.

Визуальный осмотр опытного долота показывает, что сколы двухслойных вста- 25 вок по границе раздела слоев не наблюдаются. Далее проводят сравнительные стендовые испытания долот при бурении карельского гранита (= 12-14). Параметры бурения: осевая нагрузка — 24 тс, Зр частота вращения - 95-97 об/мин. Долото, армированное двухслойными встав ками, и серийное долото при одинаковой проходке (25 м) имею> практически одинаковые показатели скорости (7,9 и

7,7 м/ч) и среднего износа зубков по высоте (0,35 и 0,36 мм соответственно).

Формула изобрет ения

1. Породоразрушающая вставка.для буровых долот, состоящая из цилиндрической части, запрессованной в корпус долота, и рабочей головки, имеющей сферическую или клиновидную форму, причем цилиндрическая часть и рабочая головка выполнены из неоднородных по составу и структуре твердых сплавов, о т л и— чающая сятем, что, сцельюулучшения эксплуатационных свойств за счет повышения прочности и ударной вязкости цилиндрической части при одновременной экономии дефицитных металлов, рабочая головка выполнена из сплава с кобальтовой связкой, а цилиндрическая часть— из сплава с железо-никелевой связкой с зернистостью, менее зернистости сплава рабочей головки.

2. Вставка по и. ", о т л и ч а.ю щ а я с я тем, что рабочая головка выполнена из твердого сплава с 3-8 вес. кобальта, а цилиндрическая часть — с

15-25 вес. железо-никелевой связки при отношении ГЯ: Ni от 65:35-85:15.

3. Вставка по и. 1, о т л и ч а ющ аяс я тем,,что рабочая головка выполнена из твердого сплава с размером карбидных зерен 2-5 мкм, а цилиндрическая часть — 1-2.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

% 693000, кл. Е 21 С 13/02, 1967.

2. Патент США М> 4128136, кл. 175-330, опублик. 1978.

91 1ООЗ

Составитель С. Денисова

Редактор М. Келемеш Техред А, Бабииец Корректор C. Шекмар

Заказ 1074/14 Тираж 624 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113935, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4