BE1023352B1 - MINERAL CROWN COMPRISING IMPREGNATED DIAMOND SEGMENTS OBTAINED BY HOT SINTING - Google Patents
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- E21B10/48—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of core type
Abstract
Couronne minière comprenant un support de couronne (1) sous forme de manchon cylindrique, des alvéoles radialement traversantes (2) étant usinées à l’une des extrémités du support de couronne, des segments imprégnés de diamant (3) étant placés dans lesdites alvéoles radialement traversantes (2), caractérisée en ce que ladite couronne est obtenue par le procédé suivant : - Fabrication des segments imprégnés de diamant (3) par un procédé comprenant une étape de frittage à chaud ; - Placement desdits segments imprégnés de diamant (3) dans lesdites alvéoles radialement traversantes (2) ; - Solidarisation desdits segments imprégnés de diamant (3) avec lesdites alvéoles radialement traversantes (2).Mining crown comprising a crown support (1) in the form of a cylindrical sleeve, radially through cells (2) being machined at one end of the crown support, segments impregnated with diamond (3) being placed in said cells radially feedthroughs (2), characterized in that said crown is obtained by the following process: - Manufacture of segments impregnated with diamond (3) by a process comprising a hot sintering step; - Placement of said segments impregnated with diamond (3) in said radially through cells (2); - Solidarity of said segments impregnated with diamond (3) with said radially through cells (2).
Description
COURONNE MINIERE COMPRENANT DES SEGMENTS IMPREGNES DE DIAMANT OBTENUS PAR FRITTAGE A CHAUDMINERAL CROWN COMPRISING IMPREGNATED DIAMOND SEGMENTS OBTAINED BY HOT SINTING
Domaine de l'inventionField of the invention
La présente invention concerne les outils miniers, et plus particulièrement une couronne minière à segments imprégnés de diamant, utilisée pour la prospection minière des sols. État de la techniqueThe present invention relates to mining tools, and more particularly to a mining ring with diamond impregnated segments, used for the prospecting of soils. State of the art
On connaît actuellement différents types de couronnes minières. Par couronne minière, on entend un élément de forage et/ou de carottage pour minerai. Lors de son utilisation, une telle couronne est en général raccordée à une colonne de forage par l'intermédiaire d'un manchon aléseur habituellement vissé sur ladite couronne.We currently know different types of mining crowns. Mineral crown means a drilling element and / or coring ore. In use, such a ring is generally connected to a drill string through a reamer sleeve usually screwed onto said ring.
Dans la première catégorie de l'art antérieur, la couronne comprend un support de couronne en acier, sur lequel est fixé un mélange diamanté. Ce mélange diamanté contient une matrice métallique, des diamants sous forme de petits grains et un infiltrant. Cet infiltrant est en général un composé cuivre, argent ou zinc, ou toute autre métal d'apport.In the first category of the prior art, the crown comprises a steel crown support, on which is fixed a diamond mixture. This diamond mixture contains a metallic matrix, diamonds in the form of small grains and an infiltrant. This infiltrant is usually a copper, silver or zinc compound, or any other filler metal.
Le mélange diamanté est placé dans un moule en graphite, et est compacté par le support de couronne en acier. L'ensemble est fixé lors d'un processus thermique, au four ou par chauffage induction. Une pression est émise, soit directement à chaud, soit lors du refroidissement, par le support de couronne qui agit comme un piston sur le mélange diamanté.The diamond mixture is placed in a graphite mold, and is compacted by the steel crown support. The assembly is fixed during a thermal process, in the oven or by induction heating. Pressure is emitted, either directly hot or during cooling, by the crown support which acts as a piston on the diamond mixture.
Cette pression sous processus thermique permet de réaliser la couronne minière en fixant son support en acier et sa partie diamantée. Cette première catégorie de couronnes comprend à la fois des couronnes à diamants imprégnés et des couronnes à pierres serties. Les couronnes à diamants imprégnés contiennent des grains de diamants mélangés directement avec la matrice métallique et l'infiltrant, comme expliqué précédemment. Par contre, les couronnes à pierres serties comprennent des diamants qui sont d'abord posés à la main dans des alvéoles prévues dans le moule en graphite, et la matrice métallique et l'infiltrant sont par la suite ajoutés sur ces diamants. Comme il vient d'être mentionné, la majorité de ces couronnes sont réalisées grâce à des techniques d'infiltration ou de pressage à chaud dans des moules en graphite afin d'avoir une surface de liaison aussi grande que possible entre le support de couronne et le mélange diamanté.This pressure under thermal process makes it possible to make the mining crown by fixing its steel support and its diamond part. This first category of crowns includes both impregnated diamond crowns and crimped stone crowns. The impregnated diamond crowns contain diamond grains mixed directly with the metal matrix and the infiltrant, as previously explained. On the other hand, crimped stone crowns include diamonds that are first placed by hand into cells in the graphite mold, and the metal matrix and infiltrant are subsequently added to these diamonds. As just mentioned, the majority of these crowns are made by infiltration or hot pressing techniques in graphite molds in order to have as large a connecting surface as possible between the crown support and the diamond mixture.
Dans la seconde catégorie, les diamants sont sous forme de segments à diamant poly-cristallin PDC. La couronne comprend un support de couronne en acier, sur lequel est fixé un mélange non-diamanté grâce à une pression lors d'un processus thermique. Mais différemment de la première catégorie, la matrice métallique comporte des alvéoles. Ces alvéoles permettent le brasage des segments diamantés PDC par la suite. Une autre manière de réaliser les couronnes à segments à PDC est d'avoir les alvéoles directement réalisées dans le support de couronne en acier, afin d'y braser les segments, sans avoir le mélange non-diamanté.In the second category, the diamonds are in the form of PDC polycrystalline diamond segments. The crown comprises a steel crown support, on which is fixed a non-diamond mixture by pressure during a thermal process. But differently from the first category, the metal matrix comprises cells. These cells allow the brazing of PDC diamond segments thereafter. Another way of making the PDC segment rings is to have the cells directly made in the steel crown support, in order to braze the segments, without having the non-diamond mixture.
Il apparait un certain nombre de désavantages dans ces deux catégories de couronnes minières. Les couronnes sont actuellement réalisées par des processus métallurgiques qui nécessitent des hautes températures, généralement au-delà de 1000°C (comme l'infiltration par une brasure ou le frittage qui consiste à fabriquer des pièces en chauffant une poudre sans la mener jusqu'à la fusion afin que les grains se soudent entre eux). Ces températures mènent à une graphitisation et à une dégradation des propriétés mécaniques du diamant, ainsi qu'à une mauvaise rétention de celui-ci qui est délogé rapidement lors du processus de coupe. La rétention du diamant ne suffit plus actuellement face aux besoins des applications actuelles, qui rencontrent des couches alternées de roches dures et de roches abrasives. De plus, la qualité de la coupe (« ROP ; rate of penetration ») n'est pas optimale à l'aide des segments déjà existants. D'autre part, la durée de vie des segments de la couronne se trouve limitée car il apparait une usure rapide des outils.There are a number of disadvantages in these two categories of mining crowns. The crowns are currently made by metallurgical processes that require high temperatures, generally above 1000 ° C (such as infiltration by soldering or sintering, which consists in making parts by heating a powder without leading it to fusion so that the grains are soldering together). These temperatures lead to a graphitization and a degradation of the mechanical properties of the diamond, as well as to a poor retention of this one which is dislodged quickly during the cutting process. Diamond retention is no longer enough to meet the needs of today's applications, which encounter alternating layers of hard rock and abrasive rock. In addition, the quality of the cut ("ROP; rate of penetration") is not optimal using existing segments. On the other hand, the life of the segments of the crown is limited because it appears a rapid wear of the tools.
Pour ce qui est des couronnes minières de la première catégorie de l'art antérieur, celle-ci ne permettent pas en général d'avoir des segments de longueur et de composition différente, ce qui peut s'avérer utile dans le cas des sols présentant des couches de duretés et d'abrasivités différentes. De plus, ces segments ne pourront pas être réparés séparément, ce qui obligera de rebuter la couronne entière si un défaut apparait lors de son utilisation ou de sa fabrication.As regards the mining crowns of the first category of the prior art, this generally does not make it possible to have segments of different length and composition, which can be useful in the case of soils having layers of hardness and abrasivities. In addition, these segments can not be repaired separately, which will force to discard the entire crown if a defect appears during its use or its manufacture.
Un autre aspect de l'invention concerne les manchons aléseurs qui sont fixés à la couronne minière. Ces aléseurs comportent des diamants sur leurs surfaces externes. Ils sont utilisés avec les couronnes minières pour plusieurs raisons. Tout d'abord, le manchon aléseur permet de réduire les vibrations de la couronne minière, grâce à son diamètre plus élevé que celui de la couronne et grâce aussi aux diamants de l'aléseur. En effet, les formations rocheuses qui sont forées dans l'industrie minière sont en général des formations métamorphiques très dures et abrasives et, d'autre part, les vitesses de rotation des équipements de forage sont très élevées, ainsi que les puissances générées sur les outils de carottage. Tous ces éléments mènent à des vibrations importantes de la couronne minière, qui sont diminuées grâce au manchon aléseur. La présence de ce manchon aléseur mène par ailleurs à une durée de vie prolongée de la couronne minière.Another aspect of the invention relates to the reaming sleeves which are attached to the mining crown. These reamers have diamonds on their outer surfaces. They are used with mining crowns for several reasons. First, the reamer sleeve reduces the vibrations of the mining crown, thanks to its diameter greater than that of the crown and thanks also to the diamonds of the reamer. In fact, the rock formations that are drilled in the mining industry are generally very hard and abrasive metamorphic formations and, on the other hand, the rotation speeds of the drilling equipment are very high, as well as the power generated on the ground. coring tools. All these elements lead to significant vibrations of the mining crown, which are reduced by the reamer sleeve. The presence of this reamer sleeve also leads to a longer life of the mining crown.
Une autre raison d'utiliser un manchon aléseur est qu'il maintient le trou foré à un diamètre bien constant, et évite l'usure des stabilisateurs des carottiers voir des tiges de forage.Another reason for using a reamer sleeve is that it keeps the drilled hole at a constant diameter, and avoids the wear of corer stabilizers or drill rods.
Actuellement, les diamants situés sur les surfaces externes du manchon aléseur sont fixés à l'aide d'un processus d'infiltration. Les diamants sont, comme pour les couronnes minières, soit des diamants sertis, soit des diamants imprégnés. Résumé de l'invention L'invention a pour objet de fournir une couronne minière qui a une durée de vie et une résistance à l'usure augmentée, ainsi qu'une grande reproductibilité. Par couronne minière, on entend un élément de forage pour minerai, sous forme tubulaire, raccordé à une colonne de forage.Currently, the diamonds on the outer surfaces of the reamer sleeve are fixed by an infiltration process. Diamonds are, as for mining crowns, either diamonds set or diamonds impregnated. SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to provide a mining ring which has a longer service life and increased wear resistance, as well as a high degree of reproducibility. By mining crown, is meant a mineral drilling element, in tubular form, connected to a drill string.
Un autre objet de l'invention est de fournir une couronne minière qui est adaptée pour forer les formations dures, extra-dures et alternées, difficiles à forer.Another object of the invention is to provide a mining ring which is adapted to drill hard formations, extra-hard and alternating, difficult to drill.
Pour ce faire, la couronne minière selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend un support de couronne sous forme de manchon cylindrique, des alvéoles radialement traversantes étant usinées à l'une des extrémités du support de couronne, des segments imprégnés de diamant étant encastrés dans les dites alvéoles radialement traversantes, ladite couronne étant obtenue par le procédé suivant : - Fabrication de segments imprégnés de diamant par un procédé comprenant une étape de frittage à chaud ; - Encastrement desdits segments imprégnés de diamant dans les dites alvéoles radialement traversantes ; - Solidarisation desdits segments imprégnés de diamant (3) avec lesdites alvéoles radialement traversantes (2).To do this, the mining ring according to the invention is characterized in that it comprises a crown support in the form of a cylindrical sleeve, radially through cavities being machined at one end of the crown support, segments impregnated with diamond being embedded in said radially through cavities, said ring being obtained by the following method: - Manufacture of diamond impregnated segments by a method comprising a hot sintering step; - Embedding said diamond impregnated segments in said radially through cells; - Solidarization said diamond impregnated segments (3) with said radially through cells (2).
Grâce à l'utilisation de ce procédé, les segments imprégnés de diamants sont fabriqués individuellement, de manière indépendante au support de la couronne. Cela permet tout d'abord de remplacer un segment individuel défectueux ou abimé si le cas se présente, au lieu de remplacer l'entièreté de la couronne comme il est fait actuellement. La reproductibilité en série des segments est envisageable aussi grâce à ce procédé. D'autre part, une plus grande flexibilité est offerte par cette fabrication de segments individuellement, qui pourront être différents les uns des autres au sein d'une même couronne, en fonction des sols à prospecter.Through the use of this process, the diamond impregnated segments are individually manufactured, independently of the crown support. This allows first to replace a defective or damaged individual segment if the case arises, instead of replacing the entire crown as it is currently done. The serial reproducibility of the segments is also possible thanks to this method. On the other hand, greater flexibility is offered by this segment manufacturing individually, which may be different from each other within the same crown, depending on the soil to explore.
Les segments imprégnés de diamant peuvent être réalisés par tout type de frittage, ce qui n'avait jamais été utilisé auparavant pour réaliser des couronnes minières.The diamond impregnated segments can be made by any type of sintering, which has never been used before to make mining crowns.
Après leur fabrication, les segments sont encastrés dans les alvéoles radialement traversantes prévues à cet effet dans le support de couronne et solidarisées avec celles-ci. Le procédé utilisé pour fixer les segments dans les alvéoles radialement traversantes peut soit être le brasage, soit le soudage par faisceau d'électrons. Ces deux techniques permettent une bonne rétention des segments dans lesdites alvéoles radialement traversantes. Le soudage au laser peut aussi être envisagé si le segment n'est pas trop épais.After their manufacture, the segments are embedded in the radially through cavities provided for this purpose in the crown support and secured thereto. The method used to fix the segments in the radially-through cavities may be either brazing or electron beam welding. These two techniques allow good retention of segments in said radially through cells. Laser welding can also be considered if the segment is not too thick.
Par « alvéoles radialement traversantes », on entend des alvéoles qui traversent radialement le support de couronne. Les alvéoles radialement traversantes ne sont donc pas fermées le long des pourtours intérieur et extérieur du support de couronne et ne possèdent alors que deux parois latérales.By "radially through cavities" means cells that pass radially through the crown support. The radially through cavities are therefore not closed along the inner and outer periphery of the crown support and then have only two side walls.
De cette manière, les segments peuvent avoir une épaisseur plus grande que celle des alvéoles radialement traversantes, afin de dépasser radialement de la couronne. Ce débordement radial est utilisé comme un élément tranchant, qui permet une meilleure coupe lorsque la couronne est mise en rotation.In this way, the segments may have a thickness greater than that of the radially through cavities, in order to protrude radially from the crown. This radial overflow is used as a cutting element, which allows a better cut when the crown is rotated.
Dans un mode de réalisation avantageux, les segments imprégnés de diamant sont fabriqués par un procédé comprenant une étape de frittage isostatique à chaud ou de « spark sintering ».In an advantageous embodiment, the diamond impregnated segments are manufactured by a process comprising a hot isostatic sintering step or "spark sintering".
La méthode de frittage isostatique à chaud utilisée dans l'invention permet d'assurer une rétention du diamant meilleure que tout autre processus métallurgique, grâce à la haute pression et à la température inférieure à 1100°C de la méthode. Le diamant n'est pas affecté thermiquement ce qui permet de maintenir ses propriétés mécaniques et d'éviter la dégradation du diamant par graphitisation. De ce fait, ce procédé permet d'augmenter la durée de vie de l'outil ainsi que la qualité de coupe.The hot isostatic sintering method used in the invention ensures a better diamond retention than any other metallurgical process, thanks to the high pressure and the temperature below 1100 ° C of the method. The diamond is not affected thermally which allows to maintain its mechanical properties and to avoid the degradation of the diamond by graphitization. As a result, this method makes it possible to increase the service life of the tool as well as the quality of cut.
Un procédé de « spark sintering » est aussi envisageable pour la fabrication des segments imprégnés de diamant. Dans ce procédé, la poudre métallique est chauffée et une pression est appliquée, le chauffage de la poudre étant au moins en partie généré grâce à un courant électrique appliqué à la poudre, ce qui permet de chauffer les segments à une température plus basse, inférieure à 1100°C. Cela permet en outre de chauffer les segments pendant un temps très court, inférieur à 5 minutes, par rapport à une méthode de frittage classique et de cette manière éviter la dégradation des diamants.A spark sintering process is also possible for the manufacture of diamond impregnated segments. In this process, the metal powder is heated and pressure is applied, the heating of the powder being at least partly generated by an electric current applied to the powder, thereby heating the segments to a lower, lower temperature at 1100 ° C. This furthermore makes it possible to heat the segments for a very short time, less than 5 minutes, compared to a conventional sintering method and in this way avoid the degradation of the diamonds.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les alvéoles radialement traversantes et les segments imprégnés de diamant comprennent des parois latérales ayant une géométrie définie par une surface courbe ou plusieurs surfaces planes interceptées. En effet, les segments imprégnés de diamant rencontrent des problèmes de débrasage. Dans l'industrie minière, les puissances générées au niveau des outils sont très importantes, ce qui mène à des échauffements considérables au niveau de la surface de la couronne et conduisent à des possibilités de détachement des segments. Ce problème ne se pose généralement pas lorsque les segments ont été soudés par faisceau d'électrons. Pour pallier à ce défaut, une nouvelle géométrie de segment et d'alvéoles radialement traversantes a été mise au point. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, lesdites alvéoles radialement traversantes et les segments imprégnés de diamant comprennent des parois latérales ayant une géométrie définie par une surface courbe et/ou plusieurs surfaces planes interceptées.In a preferred embodiment of the invention, radially through-cells and diamond impregnated segments comprise sidewalls having a geometry defined by a curved surface or a plurality of intercepted flat surfaces. In fact, diamond-impregnated segments have problems with stripping. In the mining industry, the powers generated at the tools are very important, which leads to considerable heating at the surface of the crown and lead to the possibility of segment detachment. This problem does not generally arise when the segments have been electron beam welded. To overcome this defect, a new geometry of segment and radially through cells has been developed. In an advantageous embodiment of the invention, said radially through cells and the diamond impregnated segments comprise sidewalls having a geometry defined by a curved surface and / or several intercepted flat surfaces.
Par « parois latérales » d'un segment imprégné de diamant, on entend les deux parois du segment imprégné de diamant en contact avec les deux parois latérales d'une alvéole radialement traversante du support de couronne.By "sidewalls" of a diamond-impregnated segment is meant the two walls of the diamond-impregnated segment in contact with the two sidewalls of a radially-through cell of the crown support.
Par « surface courbe », on entend tout type de surface non plane. Elle est définie comme une surface comprenant une infinité de plans non gauches afin de former une surface courbe. Par exemple, une telle surface peut être circulaire ou elliptique."Curved surface" means any type of non-planar surface. It is defined as a surface comprising an infinity of non-left planes to form a curved surface. For example, such a surface may be circular or elliptical.
Par « plusieurs surfaces planes », on entend au moins deux surfaces planes non gauches qui forment la paroi. Par exemple, la paroi pourrait être sous forme d'une intersection de deux surfaces planes, voire même une infinité de surfaces planes qui deviendraient alors une surface courbe. Tout type de paroi latérale qui a sa géométrie définie par au moins deux surfaces planes non gauches interceptées, permet de bloquer les segments radialement dans leurs alvéoles radialement traversantes. En réalité, seule une paroi latérale plane ne permet pas ce blocage du segment. D'une part, le fait que les segments sont encastrés dans les alvéoles radialement traversantes du support de la couronne et d'autre part, la géométrie des parois latérales des segments, empêchent ceux-ci de bouger latéralement, ou radialement. Le seul mouvement possible est alors un mouvement vertical. Pour l'éviter, les segments sont brasés ou soudés dans les alvéoles radialement traversantes. De plus, lorsque la couronne est en cours de forage, une pression s'exerce verticalement sur les segments qui les empêchent de sortir de leur alvéole traversante.By "several flat surfaces" is meant at least two non-left planar surfaces which form the wall. For example, the wall could be in the form of an intersection of two planar surfaces, or even an infinity of planar surfaces which would then become a curved surface. Any type of side wall which has its geometry defined by at least two intercepted non-left flat surfaces, makes it possible to block the segments radially in their radially-traversing cells. In reality, only a flat sidewall does not allow blocking of the segment. On the one hand, the fact that the segments are embedded in the radially through cells of the support of the ring and secondly, the geometry of the side walls of the segments, prevent them from moving laterally or radially. The only possible movement is then a vertical movement. To avoid this, the segments are brazed or welded in the radially through cavities. In addition, when the crown is being drilled, pressure is exerted vertically on the segments that prevent them from leaving their through cavity.
Un autre objet de l'invention est de fournir un manchon aléseur diamanté apte à être fixé à la couronne minière. Ce manchon aléseur comprend des alvéoles et des segments imprégnés de diamants encastrés dans ces alvéoles et solidarisés à celles-ci, par exemple par brasage. Les aléseurs de l'art antérieur ne comportent pas de segments brasés. En réalité, ils sont réalisés soit avec des diamants sertis ou imprégnés qui sont intégrés à la surface de l'aléseur par une méthode d'infiltration.Another object of the invention is to provide a diamond reamer sleeve adapted to be attached to the mining ring. This reamer sleeve comprises cells and segments impregnated with diamonds embedded in these cells and secured thereto, for example by brazing. The reamers of the prior art do not comprise brazed segments. In reality, they are made either with crimped or impregnated diamonds that are integrated into the surface of the reamer by an infiltration method.
Les segments imprégnés de diamant du manchon aléseur selon l'invention sont fabriqués à l'aide d'une étape de frittage, par exemple isostatique à chaud, identique à celle des segments des couronnes minières. En particulier, dans le cas du frittage isostatique à chaud, le diamant n'est pas affecté thermiquement ce qui permet de maintenir ses propriétés mécaniques et d'éviter la dégradation du diamant par graphitisation.The diamond impregnated segments of the reamer sleeve according to the invention are manufactured using a sintering step, for example isostatic hot, identical to that of the segments of the mining crowns. In particular, in the case of hot isostatic sintering, the diamond is not affected thermally which allows to maintain its mechanical properties and to avoid diamond degradation by graphitization.
Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication de la couronne minière. Ce procédé de fabrication est caractérisé en ce qu'il comprend une première étape d'usinage des alvéoles radialement traversantes dans le support de couronne en acier. D'autre part, les segments imprégnés de diamant sont fabriqués par une méthode comprenant une étape de frittage à chaud. Les segments sont brasés ou soudés par la suite dans les alvéoles radialement traversantes dudit support de couronne.Another object of the invention is to provide a method of manufacturing the mining crown. This manufacturing method is characterized in that it comprises a first step of machining the radially through cells in the steel crown support. On the other hand, the diamond impregnated segments are manufactured by a method comprising a hot sintering step. The segments are brazed or welded thereafter into the radially-through cavities of said crown support.
Plus particulièrement, le procédé de fabrication des segments imprégnés de diamant est avantageusement réalisé selon les différentes étapes suivantes. Premièrement, des granules diamantées sont générées lors d'une étape de granulation (« pelletising ») sur base d'un mélange de grains de diamants et d'au moins une poudre métallique et d'une poudre non-métallique. Le mélange de grains de diamants avec les poudres métallique et non-métallique comprend également des lubrifiants afin d'obtenir une compaction homogène. Les granules sont mises sous presse à froid, généralement dans des moules en acier, afin d'obtenir des préformes de segments imprégnés de diamant, ayant une géométrie adéquate et une compaction homogène. Les préformes de segments sont par la suite pré-frittées dans un four en présence d'une atmosphère réductrice, ceci afin d'éliminer les lubrifiants, désoxyder la matrice métallique et assurer une première densification du segment. Les segments pré-frittés sont ensuite placés dans un four à l'intérieur d'une presse isostatique. La presse est fermée et une pression comprise entre 800 bars et 2000 bars est appliquée à la presse isostatique ainsi qu'une température comprise entre 800°C et 1100°C à l'aide d'un mélange gazeux.More particularly, the method of manufacturing the diamond impregnated segments is advantageously carried out according to the following different steps. Firstly, diamond granules are generated during a granulation step ("pelletising") based on a mixture of diamond grains and at least one metal powder and a non-metallic powder. The mixing of diamond grains with the metallic and non-metallic powders also includes lubricants to achieve homogeneous compaction. The granules are cold-pressed, usually in steel molds, to obtain diamond impregnated preforms of adequate geometry and homogeneous compaction. The segment preforms are subsequently pre-sintered in an oven in the presence of a reducing atmosphere, in order to eliminate the lubricants, deoxidize the metal matrix and ensure a first densification of the segment. The pre-sintered segments are then placed in an oven inside an isostatic press. The press is closed and a pressure of between 800 bar and 2000 bar is applied to the isostatic press and a temperature between 800 ° C and 1100 ° C using a gas mixture.
Préférablement, les granules diamantées utilisées dans les segments sont générées à partir de grains de diamant ayant une taille comprise entre 16/18 et 100/120 mesh ASTM, et dont la concentration dans les segments imprégnés est comprise entre 8 à 20% en volume. Les segments sont réalisés avec des concentrations et des tailles de diamants qui sont adaptées à la formation que la couronne doit forer. Les concentrations des diamants sont généralement comprises entre 8 à 20 pourcent en volume.Preferably, the diamond granules used in the segments are generated from diamond grains having a size between 16/18 and 100/120 mesh ASTM, and whose concentration in the impregnated segments is between 8 to 20% by volume. The segments are made with diamond concentrations and sizes that are adapted to the formation that the crown has to drill. Diamond concentrations typically range from 8 to 20 percent by volume.
De plus, selon un mode avantageux de l'invention, ces granules diamantées comprennent au plus un diamant. En effet, le fait d'avoir un diamant par granule diamantée permet d'assurer une distribution parfaite du diamant. Cela mène à une qualité de coupe plus élevée ainsi qu'à une durée de vie plus longue.In addition, according to an advantageous embodiment of the invention, these diamond granules comprise at most one diamond. Indeed, having a diamond by diamond granule ensures a perfect distribution of the diamond. This leads to higher cutting quality and longer life.
Selon un mode de réalisation avantageux, lesdites alvéoles radialement traversantes dans ledit support de couronne sont obtenues par tournage et fraisage. Préférablement, le tournage et le fraisage des alvéoles radialement traversantes ainsi qu'un filetage à l'autre extrémité du support de couronne en vue du raccordement à un manchon aléseur sont réalisés en un seul usinage. En effet, la technique de brasage mise au point grâce au chauffage moyenne fréquence sous pression ne détériore pas la géométrie du filetage ni sa précision. Le tournage et le fraisage des alvéoles radialement traversantes ainsi que le filetage de la couronne peuvent dès lors être usinés en une seule fois, grâce à une machine CNC (computeur numerical control) . Ceci n'est pas le cas avec les technologies à infiltration car les supports en acier sont déformés au refroidissement, ce qui mène au ré-usinage du filetage, ou bien à la réalisation du filetage après le processus d'infiltration, et non pas en un seul usinage.According to an advantageous embodiment, said radially through cavities in said crown support are obtained by turning and milling. Preferably, the turning and milling of the radially-through cells and a thread at the other end of the crown support for connection to a reamer sleeve are made in a single machining. Indeed, the brazing technique developed through medium frequency heating under pressure does not deteriorate the geometry of the thread or its accuracy. The turning and milling of the radially through-shaped cavities as well as the threading of the crown can therefore be machined in one go, thanks to a CNC machine (digital control unit). This is not the case with the infiltration technologies because the steel supports are deformed on cooling, which leads to the re-machining of the threading, or to the realization of the threading after the infiltration process, and not in a single machining.
Suivant un mode de réalisation avantageux, le support de la couronne est réalisé dans un acier minier voire pétrolier. En effet, la technique de brasage dans les alvéoles radialement traversantes permet l'utilisation de tout type d'acier. Dans le domaine minier, on utilise généralement l'acier de grade E, mais il est aussi possible d'utiliser d'autres types d'acier, comme le SAE 8 62 0 ; le SAE 414 0 ; le SAE 4145....According to an advantageous embodiment, the support of the ring is made of a mining or even petroleum steel. Indeed, the brazing technique in the radially through cavities allows the use of any type of steel. In the mining sector, E grade steel is generally used, but other types of steel, such as SAE 8 62 0, can also be used; SAE 4140; the SAE 4145 ....
Brève description des figuresBrief description of the figures
Ces aspects ainsi que d'autres aspects de l'invention seront clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention, référence étant faite aux dessins des figures, dans lesquelles :These and other aspects of the invention will be clarified in the detailed description of particular embodiments of the invention, with reference to the drawings of the figures, in which:
La Fig. 1 est une vue de côté d'une couronne minière selon l'invention ;Fig. 1 is a side view of a mining ring according to the invention;
La Fig. 2 est une vue de modes de réalisation des parois latérales des segments imprégnés de diamant solidarisés à la couronne minière ;Fig. 2 is a view of embodiments of the side walls of the diamond impregnated segments secured to the mining crown;
La Fig. 3 est une vue en coupe d'une couronne minière lors du brasage des segments à l'aide de la technique de chauffage à moyenne fréquence;Fig. 3 is a sectional view of a mining ring during soldering of the segments using the medium frequency heating technique;
Les figures ne sont pas dessinées à l'échelle. Généralement, des éléments semblables sont dénotés par des références semblables dans les figures.The figures are not drawn to scale. Generally, similar elements are denoted by similar references in the figures.
Description détaillée de modes de réalisation particuliersDetailed description of particular embodiments
La figure 1 représente une couronne minière selon l'invention, comprenant un support de couronne 1 qui comprend lui-même des alvéoles radialement traversantes 2 ayant un profil en U. Les alvéoles radialement traversantes 2 dans ledit support de couronne 1 sont obtenues par tournage et fraisage. Des segments imprégnés de diamant 3 sont encastrés dans les alvéoles radialement traversantes 2 et solidarisés à celles-ci par brasage, par soudage au laser ou par soudage par faisceau d'électrons. Les parois latérales 4 des alvéoles traversaates 2 ont une géométrie définie par une surface courbe.FIG. 1 represents a mining ring according to the invention, comprising a crown support 1 which itself comprises radially through-shaped cavities 2 having a U-shaped profile. The radially through-cells 2 in said crown support 1 are obtained by turning and milling. Diamond impregnated segments 3 are embedded in the radially through cavities 2 and secured thereto by brazing, by laser welding or by electron beam welding. The side walls 4 of the transverse cells 2 have a geometry defined by a curved surface.
Le fait que les segments 3 soient encastrés dans les alvéoles radialement traversantes 2 du support de la couronne 1 permet d'éviter un mouvement latéral des alvéoles radialement traversantes. D'autre part, le fait que les parois latérales 4 des segments 3 aient une géométrie particulière, permet d'empêcher les segments de bouger radialement. Le seul mouvement possible est alors un mouvement vertical.The fact that the segments 3 are embedded in the radially through-alveoli 2 of the support of the ring 1 makes it possible to prevent lateral movement of the radially-traversing cells. On the other hand, the fact that the side walls 4 of the segments 3 have a particular geometry, prevents the segments from moving radially. The only possible movement is then a vertical movement.
Pour éviter ce mouvement vertical, les segments 3, après leur fabrication, sont brasés ou soudés par faisceau d'électrons dans les alvéoles radialement traversantes 2 prévues à cet effet. Ces deux techniques permettent une bonne rétention du segment dans l'alvéole radialement traversante 2. Le soudage par laser peut aussi être envisagé pour les segments n'étant pas trop épais. De plus, lorsque la couronne est en cours de forage, une pression s'exerce verticalement sur les segments 3 qui les empêche de sortir de leur alvéole radialement traversante 2.To avoid this vertical movement, the segments 3, after their manufacture, are brazed or electron beam welded in the radially through cavities 2 provided for this purpose. These two techniques allow a good retention of the segment in the radially through cell 2. The laser welding can also be considered for segments not being too thick. In addition, when the crown is being drilled, pressure is exerted vertically on the segments 3 which prevents them from leaving their radially through cavity 2.
La figure 2 représente différents modes de réalisation des surfaces latérales des segments imprégnés de diamant solidarisés à la couronne minière selon l'invention. Comme déjà exposé précédemment, les parois latérales 4 des segments imprégnés de diamant 3 comprennent avantageusement des parois latérales 4 ayant une géométrie définie par une surface courbe et/ou plusieurs surfaces planes interceptées.FIG. 2 shows different embodiments of the lateral surfaces of the diamond impregnated segments secured to the mining crown according to the invention. As already explained above, the side walls 4 of the diamond impregnated segments 3 advantageously comprise side walls 4 having a geometry defined by a curved surface and / or several intercepted flat surfaces.
Par « surface courbe », on entend tout type de surface non plane. Elle est définie comme une surface comprenant une infinité de plans non gauches afin de former une surface courbe. Par exemple, une telle surface peut être circulaire ou elliptique."Curved surface" means any type of non-planar surface. It is defined as a surface comprising an infinity of non-left planes to form a curved surface. For example, such a surface may be circular or elliptical.
Par « plusieurs surfaces planes », on entend au moins deux surfaces planes non gauches qui forment la paroi. Par exemple, la paroi pourrait être sous forme d'une intersection de deux surfaces planes, voire même une infinité de surfaces planes qui deviendraient alors une surface courbe. Tout type de paroi latérale 4 qui a sa géométrie définie par au moins deux surfaces planes non gauches interceptées, permet de bloquer les segments 3 radialement dans leurs alvéoles radialement traversantes 2. En réalité, seule une paroi latérale plane ne permet pas ce blocage du segment 3. A la Fig. 2 a), la paroi latérale 4 est une surface courbe. A la Fig. 2 b), la paroi latérale 4 a une surface avec une section en dents de scie. A la Fig. 2 c), la paroi latérale 4 a une surface comprenant un échelon. Tous ces modes de réalisation peuvent être envisagés pour réaliser les surfaces latérales des segments imprégnés de diamant.By "several flat surfaces" is meant at least two non-left planar surfaces which form the wall. For example, the wall could be in the form of an intersection of two planar surfaces, or even an infinity of planar surfaces which would then become a curved surface. Any type of side wall 4 which has its geometry defined by at least two intercepted non-left plane surfaces, makes it possible to block the segments 3 radially in their radially through cavities 2. In reality, only a plane side wall does not allow this locking of the segment. 3. In FIG. 2 a), the side wall 4 is a curved surface. In FIG. 2 b), the side wall 4 has a surface with a sawtooth section. In FIG. 2 c), the side wall 4 has a surface comprising a step. All these embodiments can be envisaged to achieve the side surfaces of the diamond impregnated segments.
La figure 3 représente la technique de chauffage à moyenne fréquence. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les segments imprégnés de diamants 3 sont brasés dans les alvéoles radialement traversantes 2 à l'aide d'une unité de chauffage à moyenne fréquence. Cette technique consiste à disposer des feuilles de brasure dans les alvéoles radialement traversantes 2 du support de couronne 1, et de venir y déposer les segments 3 pardessus. Deux couches dures d’isolant thermique 9 tel que l’oxyde d’aluminium ou de stéatite sont placées de part et d'autre des segments 3 et du support de couronne 1. Une presse 7 englobe ensuite l'ensemble du dispositif, comprenant les segments 3 et le support de couronne 1 ainsi que les deux couches isolantes 9. La presse 7 peut éventuellement être remplacée par un système à pression avec des ressorts. La spire 6 est connectée à l'unité de moyenne fréquence pour chauffer la tête de la couronne contenant les segments imprégnés de diamant 3. La température est augmentée jusqu'à la température de brasage exigée, à l'aide de cette spire 6. Quand la température de brasage est obtenue, une pression identique est appliquée sur tous les segments 3 grâce à la presse 7. Le brasage des segments 3 par chauffage moyenne fréquence sous pression est une technologie avantageuse par rapport aux autres technologies connues. Tout d'abord, le filetage du support de couronne peut être réalisé avant le brasage car il ne sera pas déformé lors du passage au four, étant donné que la spire 6 est placée autour de la partie supérieure du support de couronne 1 uniquement. D'autre part, la vitesse de brasage ainsi que le contrôle de la température sont meilleurs qu'avec les autres méthodes. Pour éviter le mouvement des segments 3, cette technique de brasage est la plus optimale.Figure 3 shows the medium frequency heating technique. In an advantageous embodiment of the invention, the diamond-impregnated segments 3 are brazed in the radially through cavities 2 by means of a medium frequency heating unit. This technique consists in arranging the solder sheets in the radially through-cells 2 of the crown support 1, and coming to deposit the segments 3 over them. Two hard layers of thermal insulation 9 such as aluminum oxide or steatite are placed on either side of the segments 3 and the crown support 1. A press 7 then encompasses the entire device, including the segments 3 and the crown support 1 and the two insulating layers 9. The press 7 may optionally be replaced by a pressure system with springs. The turn 6 is connected to the medium frequency unit to heat the crown head containing the diamond impregnated segments 3. The temperature is increased to the required soldering temperature using this turn 6. When the brazing temperature is obtained, an identical pressure is applied to all segments 3 through the press 7. Brazing segments 3 by medium frequency heating under pressure is an advantageous technology compared to other known technologies. First of all, the thread of the crown support can be made before brazing because it will not be deformed during the passage in the oven, since the turn 6 is placed around the upper part of the crown support 1 only. On the other hand, brazing speed and temperature control are better than with other methods. To avoid the movement of the segments 3, this brazing technique is the most optimal.
Lors du brasage, la pression est exercée sur l'ensemble des segments 3 pour que ceux-ci aient tous leurs faces horizontales supérieures au même niveau. En effet, en cours de forage, des segments 3 situés à des hauteurs différentes engendrent des surpressions importantes qui endommagent voire détruisent totalement la couronne. Afin d'optimiser l'homogénéité de la pression exercée sur les segments 3, une feuille de fibre de graphite 8 peut être placée entre la presse 7 et les segments 3. Cette feuille 8 peut être d'une autre nature, par exemple en matériau isolant comme les laines minérales (de verre, ou d'oxyde d'alumine,...) . Cette feuille 8 doit avoir la propriété de résister à la haute température du procédé de brasage ainsi que d'être apte à atténuer les inégalités et imperfections des surfaces des segments 3. Cette dernière propriété est obtenue grâce à une flexibilité du matériau. En effet, la flexibilité du matériau lui permet de s'adapter aux inégalités de hauteur des segments 3, en égalisant la surface de contact entre les segments 3 et la presse 7 lors du pressage. Ceci permet finalement une meilleure répartition de la pression sur les segments 3 afin que ceux-ci aient tous leurs faces horizontales supérieures au même niveau.During brazing, the pressure is exerted on all segments 3 so that they all have their upper horizontal faces at the same level. Indeed, during drilling, segments 3 at different heights generate significant overpressures that damage or destroy the crown completely. In order to optimize the homogeneity of the pressure exerted on the segments 3, a sheet of graphite fiber 8 may be placed between the press 7 and the segments 3. This sheet 8 may be of a different nature, for example made of material insulation such as mineral wools (glass, or alumina oxide, ...). This sheet 8 must have the property of withstanding the high temperature of the brazing process and being able to mitigate the unevenness and imperfections of the surfaces of the segments 3. This last property is obtained thanks to a flexibility of the material. Indeed, the flexibility of the material allows it to adapt to the height inequalities of the segments 3, by equalizing the contact area between the segments 3 and the press 7 during the pressing. This finally allows a better distribution of the pressure on the segments 3 so that they all have their upper horizontal faces at the same level.
Dans un mode de réalisation, au lieu d'utiliser la technique de chauffage à moyenne fréquence, les segments imprégnés de diamant 3 sont brasés dans lesdites alvéoles radialement traversantes 2 à l'aide d'un chauffage par chalumeau oxyacéthylénique ou par couronne de chauffe oxyacéthylénique.In one embodiment, instead of using the medium-frequency heating technique, the diamond-impregnated segments 3 are soldered in said radially-through cells 2 by means of oxyacetylene torch heating or oxyacetylene heating ring. .
La méthode de chauffage par chalumeau oxyacéthylénique est intéressante pour les réparations de segments 3 par exemple. Pour la fabrication de couronne neuve, il est recommandé d'utiliser cette technique oxyacéthylénique uniquement si le système permet de chauffer la totalité de la partie supérieure de la couronne, ce qui est possible par exemple à l'aide d'une couronne de chauffe oxyacéthylénique. En effet, cela permet dans ce cas d'appliquer une pression sur l'ensemble des segments 3.The method of heating oxyacetylene torch is interesting for segment repairs 3 for example. For the manufacture of new crowns, it is recommended to use this oxyacethylene technique only if the system makes it possible to heat the entire upper part of the crown, which is possible for example with the aid of an oxyacetylene heating ring. . Indeed, it allows in this case to apply pressure on all segments 3.
La couronne minière peut également posséder des segments 3 de composition et de hauteur différente. Dans un mode avantageux de l'invention, la couronne minière comprend au moins un segment 3 de composition différente des autres segments de ladite couronne.The mining crown may also have segments 3 of different composition and height. In an advantageous embodiment of the invention, the mining ring comprises at least one segment 3 of different composition of the other segments of said ring.
Avantageusement, le segment imprégné de diamants 3 comprend plusieurs couches compactées de compositions différentes, lesdites couches étant orientées verticalement, radialement ou longitudinalement. Le fait d'avoir plusieurs couches de compositions différentes au sein d'un même segment permet d'adapter la couronne à l'application désirée, et au type de sol. Ces compositions peuvent par exemple faire varier la proportion de diamants au sein de la matrice. Ce genre d'application est très difficile à réaliser dans les techniques de fabrications conventionnelles. Le fait de fabriquer les segments 3 indépendamment du support de la couronne 1 permet de réaliser plusieurs couches facilement dans les segments 3.Advantageously, the segment impregnated with diamonds 3 comprises several compacted layers of different compositions, said layers being oriented vertically, radially or longitudinally. Having several layers of different compositions within the same segment makes it possible to adapt the crown to the desired application, and to the type of soil. These compositions may for example vary the proportion of diamonds within the matrix. This kind of application is very difficult to achieve in conventional manufacturing techniques. Making the segments 3 independently of the support of the crown 1 makes it possible to produce several layers easily in the segments 3.
Selon un autre mode avantageux de l'invention, la couronne minière comprend au moins un segment 3 de hauteur différente des autres segments de ladite couronne. Cette alternance de segments 3 de longueur, hauteur et/ou de composition différente est un avantage par exemple lors de formations alternées ayant des couches de dureté différentes. Cela peut être un facteur important pour la durée de vie de l'outil.According to another advantageous embodiment of the invention, the mining ring comprises at least one segment 3 of height different from the other segments of said ring. This alternation of segments 3 of length, height and / or different composition is an advantage for example in alternate formations having different layers of hardness. This can be an important factor for the life of the tool.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la hauteur du segment 3 varie en fonction de la profondeur des alvéoles radialement traversantes 2 dans le support de la couronne 1, ledit segment 3 étant brasé de 20 à 30% de sa hauteur dans l'alvéole radialement traversante 2. Ce brasage à 20 à 30% de la hauteur du segment 3 dans l'alvéole radialement traversante 2 du support 1 apporte une bonne rétention du segment 3 durant le travail.In one embodiment of the invention, the height of the segment 3 varies as a function of the depth of the radially through cells 2 in the support of the ring 1, said segment 3 being brazed from 20 to 30% of its height in the radially through 2. This brazing at 20 to 30% of the height of the segment 3 in the radially through cell 2 of the support 1 provides good retention of the segment 3 during work.
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