ES2635721T3 - Herramientas de corte impregnadas de diamante que contienen fibras - Google Patents

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ES2635721T3 ES07865035.5T ES07865035T ES2635721T3 ES 2635721 T3 ES2635721 T3 ES 2635721T3 ES 07865035 T ES07865035 T ES 07865035T ES 2635721 T3 ES2635721 T3 ES 2635721T3
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Kristian Drivdahl
Michael Rupp
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Abstract

Una herramienta de corte, que comprende una porción de corte, comprendiendo la porción de corte: una matriz (27) de material en partículas duras; un aglutinante infiltrado dentro de la matriz (27) de material en partículas duras; una pluralidad de medios de corte impregnados dentro de la matriz (27) de material en partículas duras; caracterizada por que una pluralidad de fibras (36) está contenida dentro de la matriz (27) de material en partículas duras, en la que la pluralidad de fibras (36) tiene una longitud de 10 a 25 000 micrómetros y un diámetro de entre 1 y 500 micrómetros, y en la que la porción de corte está configurada para erosionarse y exponer el medio de corte impregnado dentro de la matriz (27).

Description

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DESCRIPCION
Herramientas de corte impregnadas de diamante que contienen fibras Antecedentes
1. Campo
Esta solicitud se refiere en general a las herramientas de corte y a sus metodos de uso. En particular, esta solicitud se refiere a herramientas de corte impregnadas de diamante que pueden contener fibras.
2. Antecedentes
Las herramientas de corte pueden impregnarse con diamantes por lo que pueden utilizarse para moler, pulir o de otra manera cortar una variedad de materiales que las herramientas de corte normales no pueden cortar. La parte de estas herramientas que realiza la accion de corte (o la porcion de corte de la herramienta) esta formada generalmente por una matriz que contiene un metal en polvo o un material en partfculas duras, tal como carburo de tungsteno. Este material se infiltra a veces con un aglutinante, tal como una aleacion de cobre. El documento US 4.863.430 divulga una herramienta de corte que comprende una porcion de corte con una matriz de material en partfculas duras y un aglutinante infiltrado dentro de dicha matriz.
Finalmente, la porcion de corte de estas herramientas esta impregnada con cristales de diamante o con alguna otra forma de medios de corte abrasivos. A medida que la herramienta muele y corta los materiales deseados, la porcion de corte de la herramienta se erosiona y expone nuevas capas del cristal de diamante (u otros medios de corte) de manera que siempre se dispone de una superficie afilada para el proceso de corte. Cualquier herramienta de corte impregnada de diamante puede continuar cortando de forma eficiente hasta que la porcion impregnada de diamante de la herramienta se consuma completamente. En ese punto, la herramienta se vuelve roma y debe reemplazarse por otra.
En algunos casos, las herramientas de corte impregnadas de diamante pueden ser caras y su reemplazo puede ser lento, costoso, ademas de peligroso. Por ejemplo, el reemplazo de una broca de muestreo de nucleo impregnada de diamante requiere retirar (o sacar) toda la serie de perforacion fuera del agujero que se ha perforado (la perforacion). Cada seccion de la varilla de perforacion debe retirarse secuencialmente de la perforacion. Una vez que se reemplaza la broca, debe montarse toda la serie de perforacion seccion por seccion y luego se vuelve a introducir en la perforacion. Dependiendo de la profundidad del agujero y de las caractensticas de los materiales a perforar, este proceso puede necesitar repetirse varias veces para una sola perforacion.
Ademas, las herramientas de corte impregnadas de diamante convencionales tienen a menudo varias caractensticas que pueden sumarse a la tasa de consumo de la porcion de corte y, por lo tanto, aumentar los costes operativos asociados con esas herramientas de corte. En primer lugar, los materiales aglutinantes en las herramientas pueden ser relativamente blandos en comparacion con los medios de corte. Por consiguiente, la porcion de corte puede erosionarse y permitir que los diamantes u otros materiales de corte abrasivos se desprendan prematuramente. En segundo lugar, la tasa de erosion de la porcion de corte puede incrementarse por una lubricacion insuficiente hacia y alrededor de la cara de corte de la herramienta, o la interfaz entre la porcion de corte de la herramienta y el material a cortar. En tercer lugar, las herramientas de corte impregnadas convencionales tambien pueden ser demasiado resistentes al desgaste para exponer y renovar las capas de la porcion de corte.
Sumario
Esta solicitud describe herramientas de corte impregnadas de diamante y sus metodos asociados para su fabricacion y uso. Las herramientas de corte contienen una porcion de corte impregnada de diamante que puede contener fibras hechas de carbono, vidrio, ceramica, polfmero y similares. Las fibras pueden estar en cualquier forma, incluyendo las fibras picadas y molidas. Las fibras tambien pueden recubrirse con recubrimientos metalicos, ceramicos u otros recubrimientos que mejoran el rendimiento. Las fibras pueden utilizarse tanto para controlar la resistencia a la traccion como la velocidad de erosion de la matriz en la porcion de corte para optimizar el rendimiento de corte de las herramientas. Ademas, las fibras tambien pueden debilitar la estructura y permitir que se utilicen aglutinantes de modulo superior para las herramientas de corte a un coste menor, permitiendo que la cantidad de fibras se adapte para retener los diamantes en la porcion de corte durante la cantidad de tiempo deseada. Y a medida que la porcion de corte se erosiona, las fibras tambien pueden aumentar la lubricidad en la cara de la porcion de corte. El uso de las fibras permite que las herramientas de corte duren mas y las hacen mas seguras y mas economicas por que necesitan ser reemplazadas con menos frecuencia.
Breve descripcion de los dibujos
La siguiente descripcion puede comprenderse mejor a la luz de las figuras, en las que:
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la figura 1 contiene una vista a modo de ejemplo de una broca de muestreo de nucleo;
la figura 2 contiene una vista a modo de ejemplo de una seccion transversal de un hilo de diamante;
la figura 3 contiene una vista a modo de ejemplo de una seccion transversal de otro hilo de diamante; y
la figura 4 contiene una vista a modo de ejemplo de una seccion transversal de una perla de hilo de diamante
individual.
Junto con la siguiente descripcion, las figuras pueden ayudar a demostrar y a explicar los principios de la invencion y los metodos para usar la invencion. En las figuras, el espesor y la configuracion de los componentes pueden exagerarse para mayor claridad. Los mismos numeros de referencia en diferentes figuras representan el mismo componente.
Descripcion detallada
La siguiente descripcion proporciona detalles espedficos para proporcionar una comprension completa. Sin embargo, el experto en la materia comprendera que el aparato y los metodos asociados de fabricacion y uso del aparato pueden implementarse y utilizarse sin emplear estos detalles espedficos. De hecho, el aparato y los metodos asociados pueden utilizarse junto con cualesquiera sistemas, componentes y/o tecnicas convencionalmente utilizadas en la industria. Por ejemplo, aunque la descripcion que sigue se centra en el uso de fibras en herramientas de corte impregnadas de diamante, la presente invencion puede implementarse en muchas otras aplicaciones de herramientas de corte, tales como herramientas de corte que estan impregnadas con cualquier medio de corte como materiales superabrasivos (por ejemplo, diamante policristalino), oxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de tungsteno, nitruro de boro cubico, alumina, alumina de sol-gel bombardeada o no bombardeada, etc., y combinaciones de los mismos.
Las herramientas de corte descritas en el presente documento pueden utilizarse para cortar piedras, formaciones minerales subterraneas, ceramicas, asfalto, hormigon y otros materiales duros. Estas herramientas de corte pueden incluir brocas de muestreo de nucleo, brocas de tipo de arrastre, brocas cono de rodillo, hilo de diamante, copas de molienda, discos de diamante, discos de fresado, peines de rozar y similares. Por ejemplo, las herramientas de corte pueden ser cualquier tipo de broca de tierra (es decir, broca de muestreo de nucleo, broca de arrastre, broca cono de rodillo, navi-drill, taladro de agujero completo, sierra de perforacion, abridor de agujeros, etc.), de disco de sierra de diamante (por ejemplo, disco soldado con laser, disco de diamante concavo, disco segmentado, disco de borde continuo, disco de nucleo ondulado, disco de nucleo ventilado, etc.), de copa de molienda (por ejemplo, copa de hilera simple, copa de doble hilera, copa de molienda con segmentos en forma de T, etc.), de disco de fresar (por ejemplo, de triple hilera, etc.), de peine de rozar, de disco de pulido, etcetera. En algunas realizaciones, sin embargo, las herramientas de corte son brocas de muestreo de nucleo e hilo de diamante.
La parte de las herramientas de corte que realiza la accion de corte (o la porcion de corte de la herramienta) contiene una matriz con un metal en polvo o un material en partfculas duras, tal como carburo de tungsteno o cualquier otro material superabrasivo. Este material a veces puede infiltrarse con un aglutinante, tal como una aleacion de cobre o un equivalente sustancial, y puede sinterizarse para formar un segmento. La porcion de corte de estas herramientas tambien puede impregnarse con diamantes o alguna otra forma de medios de corte abrasivos y mezclarse (y, en algunas realizaciones, reforzarse) con materiales fibrosos (o fibras) como se describe en detalle en las realizaciones en las que la herramienta de corte es una broca de muestreo de nucleo y un hilo de diamante.
La figura 1 ilustra un ejemplo de una herramienta de corte que contiene fibras, una broca de muestreo de nucleo que contiene fibras (y, en algunas realizaciones, reforzada con fibras). Como se muestra en la figura 1, la broca 20 contiene una primera seccion 21 que se conecta al resto de la serie de perforacion. La broca 20 tambien contiene una segunda seccion 22 que se utiliza para cortar los materiales deseados durante el proceso de perforacion. El cuerpo de la broca 20 tiene una superficie exterior y una superficie interior que contienen una porcion hueca en su interior. Con esta configuracion, las piezas del material a perforar pueden pasar a traves de la porcion hueca, hacia arriba en una serie de perforacion a la que esta conectada la broca, y recogerse posteriormente.
La broca 20 puede ser de cualquier tamano y, por lo tanto, puede utilizarse para recoger muestras de nucleo de cualquier tamano. Aunque la broca puede tener cualquier circunferencia y puede utilizarse para retirar y recoger muestras de nucleo con cualquier diametro deseado, el diametro generalmente oscila entre aproximadamente 2,54 cm (1 pulgada) y 30,48 cm (12 pulgadas) aproximadamente. Ademas, aunque el corte de la broca (el radio de la superficie exterior menos el radio de la superficie interior) puede ser de cualquier anchura, generalmente oscila entre aproximadamente 1,27 cm (1/2 pulgada) y 15,24 cm (6 pulgadas) aproximadamente.
La primera seccion 21 de la broca puede estar hecha de cualquier material adecuado conocido en la tecnica. En algunas realizaciones, la primera seccion puede estar hecha de acero o de colada de matriz de un material en partfculas duras en un aglutinante. En algunas realizaciones, la primera seccion 21 puede contener un extremo de mandril, a veces llamado preforma, cuerpo de broca, o vastago, que puede utilizarse para cualquier proposito, incluyendo conectar la broca a la parte mas cercana de la serie de perforacion. De este modo, el extremo de mandril puede configurarse como se conoce en la tecnica para conectar la broca 20 a cualquier parte deseada de la serie de perforacion.
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La segunda seccion 22 de la broca de muestreo de nucleo 20 contiene una porcion de corte con elementos de corte 12 que tienen una cara de corte 14. Los elementos de corte 12 tienen un espacio 16 entre ellos de manera que, como se conoce en la tecnica, durante la perforacion puede utilizarse un fluido de perforacion que sigue la trayectoria mostrada mediante la flecha. La porcion de corte de la broca de muestreo de nucleo, a menudo llamada corona, puede estar construida de cualquier material o materiales conocidos en la tecnica. Este tipo de broca (una broca de muestreo de nucleo) esta formada generalmente de acero o de una matriz de metal en polvo, que es un material en partfculas duras, tal como carburo de tungsteno, tungsteno, hierro, cobalto y/o molibdeno. Este material puede infiltrarse a continuacion con un aglutinante, tal como una aleacion de cobre, zinc, plata, molibdeno, mquel, cobalto o un equivalente sustancial, y/o puede ser sinterizado. La porcion de corte de la broca tambien puede impregnarse con cualquier forma o combinacion de formas de medios de corte, tales como cristales de diamante.
Los medios de corte utilizados en la broca pueden tener cualquier caractenstica o combinacion de caractensticas deseadas. Por ejemplo, los medios de corte pueden ser de cualquier tamano, forma, calidad, grano, concentracion, arena, etc. En algunas realizaciones, los medios de corte pueden ser muy pequenos y sustancialmente redondos para dejar un acabado liso sobre el material a cortar mediante la broca de muestreo de nucleo. En otras realizaciones, los medios de corte pueden ser mas grandes para cortar agresivamente el material a cortar.
Los medios de corte pueden estar contenidos en la broca de manera homogenea o heterogenea. Ademas, los medios de corte pueden estar alineados de una manera particular de modo que las propiedades de corte de los medios se presenten en una posicion ventajosa con respecto a la porcion de corte de la broca. De forma similar, los medios de corte pueden estar contenidos en la broca en una diversidad de densidades como se desee para un uso particular. Por ejemplo, las partfculas abrasivas grandes separadas entre sf pueden cortar el material mas rapidamente que las partfculas abrasivas pequenas embutidas. Pero el tamano, la densidad y la forma de las partfculas abrasivas pueden proporcionarse en una variedad de combinaciones dependiendo del coste y del rendimiento deseados de la broca.
En algunos casos, la porcion de corte de la broca puede estar hecha de una o mas capas. Por ejemplo, la porcion de corte puede contener dos capas: una capa de matriz que realiza la operacion de corte y una capa de apoyo, que conecta la capa de matriz con la primera seccion de la broca. En estas realizaciones, la capa de matriz contiene el medio de corte real que desgasta y erosiona el material a perforar. La porcion de la capa de matriz que entra en contacto con el material a cortar se conoce como cara de corte.
Otra realizacion de una herramienta de corte comprende unos segmentos o perlas de hilo de diamante que contienen fibras (y, en algunas realizaciones, una reforzados con fibras). El hilo de diamante puede utilizarse para cortar una variedad de materiales duros. Por ejemplo, puede utilizarse un hilo de diamante relativamente grande para cortar grandes bloques de granito de una formacion de granito en una cantera para su posterior procesamiento. Sin embargo, en otros usos, puede utilizarse un hilo de diamante relativamente pequeno en un laboratorio para cortar una muestra de un material duro para ensayo.
En la figura 2 se muestra un ejemplo de hilo de diamante. En la figura 2, los hilos de diamante contienen un hilo de nucleo 2 hecho de cualquier material fuerte adecuado, tal como acero, que puede estar recubierto con un recubrimiento de material de corte 4. El recubrimiento 4 de tales hilos puede actuar como la porcion de corte del hilo de diamante. El recubrimiento 4 puede contener un aglutinante (por ejemplo, una aleacion de cobre, hierro, carburo de silicio, etc.) y un material base que puede estar formado de acero o de una matriz de metal en polvo/material en partfculas duras (por ejemplo, carburo de tungsteno, tungsteno, hierro, cobalto, molibdeno, etc.). El recubrimiento 4 tambien puede estar impregnado con cualquier medio de corte 8, tal como cristales de diamante. El medio de corte 8 en el recubrimiento 4 puede tener cualquier caractenstica deseada, incluyendo cualquier tamano, forma, alineacion, grano, calidad, arena, concentracion, desembolso, etc.
En algunos casos, el recubrimiento 4 del hilo de diamante puede estar hecho de una o mas capas. En tales realizaciones, cada capa puede estar hecha de cualquier material deseado. Por ejemplo, la capa de apoyo puede contener una aleacion de hierro y la union entre la matriz y la capa de apoyo se consigue normalmente con una aleacion de cobre o una aleacion de soldadura fuerte.
La Figura 3 ilustra otro ejemplo de un hilo de diamante que contiene fibra. Como se muestra en la figura 3, los hilos de diamante pueden tener perlas abrasivas que se aplican a un cable de nucleo 28 (o hilo de nucleo) para crear una cadena continua de perlas abrasivas que actuan como porciones de corte en el hilo de diamante. Las perlas abrasivas pueden estar formadas de cualquier material adecuado. Por ejemplo, las perlas abrasivas pueden tener una matriz de diamante 27 formada de un material base, como un metal en polvo o un material en partfculas duras (por ejemplo, carburo de tungsteno, tungsteno, cobalto, molibdeno, etc.). El material base puede infiltrarse con un material aglutinante (por ejemplo, una aleacion de cobre). Y las perlas abrasivas pueden impregnarse con cualquier medio de corte (por ejemplo, cristales de diamante) que tienen cualquier caractenstica deseada, incluyendo cualquier tamano, forma, alineacion, grano, calidad, arena, concentracion, desembolso y similares.
La figura 4 ilustra una perla de hilo de diamante 26 individual que se utiliza con el hilo de diamante mostrado en la figura 3. La perla 26 puede ser de cualquier forma y tamano conocidos en la tecnica y puede aplicarse al hilo de
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nucleo de cualquier manera conocida en la tecnica. El hilo de diamante de la figura 3, por ejemplo, puede fabricarse fabricando la perla 26 para que contenga un recubrimiento 34 con partfculas abrasivas 38 y fibras 36 y un canal 32. En este ejemplo, la perla 26 puede estar unida entonces a una virola de acero, que puede estar roscada sobre el hilo de nucleo. Por lo tanto, las perlas 26 en el hilo de diamante pueden fabricare separadamente del hilo de nucleo y posteriormente ensartarse en el hilo de nucleo con otras perlas para crear el hilo de diamante. Un encapsulante, normalmente un caucho 25 o algun otro material polimerico, puede recubrirse sobre el hilo de nucleo entre las perlas como se conoce en la tecnica para crear el hilo de diamante.
Los hilos de diamante tambien pueden ser de cualquier tamano y por lo tanto pueden utilizarse en cualquier proceso conocido que utilice hilo de diamante. Por ejemplo, el hilo de diamante en la figura 3 puede oscilar en longitud desde aproximadamente 5 metros hasta mas de 100 metros y tener perlas 26 con un diametro de desde aproximadamente 4 milfmetros a aproximadamente 12 milfmetros. Y para el hilo de diamante de la figura 2, la longitud puede ser de aproximadamente 10 centfmetros de longitud y el diametro del hilo de nucleo y del recubrimiento de material de corte puede ser de aproximadamente unos pocos micrometros. Sin embargo, el hilo de diamante puede ser mas largo o mas corto que las longitudes de los ejemplos anteriores y puede tener tambien perlas y un cable de cualquier diametro deseado.
Ademas de estas caractensticas, las herramientas de corte impregnadas de diamante, incluyendo las brocas de muestreo de nucleo o los hilos de diamante, pueden tener cualquier caractenstica adicional conocida en la tecnica. Por ejemplo, una broca de muestreo de nucleo puede tener proteccion de calibre adicional, depositos de banda dura, diversos perfiles de barrena y combinaciones de los mismos. Pueden incluirse calibres protectores sobre o dentro de una broca para reducir el dano a la broca y al entubado del pozo a medida que la broca baja dentro del entubado. Adicionalmente, la broca de muestreo de nucleo puede tener bandas de metal duro aplicadas que pueden impedir la erosion prematura de la porcion de corte de la broca.
La(s) porcion(es) de corte de las herramientas de corte impregnadas de diamante contienen fibras. Puede anadirse cualquier fibra conocida, o combinacion de fibras, a la herramienta de corte. En algunas realizaciones, la porcion de corte de una herramienta de corte impregnada de diamante puede incluir fibras tales como fibras de carbono, fibras metalicas (por ejemplo, fibras de tungsteno, de carburo de tungsteno, de hierro, de molibdeno, de cobalto o combinaciones de las mismas), fibras de vidrio, fibras polimericas (por ejemplo, fibras hechas de Kevlar), fibras ceramicas (por ejemplo, fibras hechas de carburo de silicio), fibras recubiertas, y/o similares.
En algunas realizaciones, la porcion de corte de una herramienta de corte impregnada de diamante puede contener cualquier fibra de carbono. En la porcion de corte de una herramienta de corte impregnada de diamante puede incluirse cualquier tipo conocido de fibra de carbono.
En algunas realizaciones, las fibras pueden recubrirse opcionalmente con uno o mas materiales adicionales antes de incluirse en la herramienta de corte. Dichos recubrimientos pueden utilizarse para cualquier fin de mejora del rendimiento. Por ejemplo, puede utilizarse un recubrimiento de fibra para ayudar a retener fibras en la herramienta de corte. En otro ejemplo, puede utilizarse un recubrimiento de fibra para aumentar la lubricidad cerca de la cara de corte de una herramienta de corte a medida que el recubrimiento de fibras se erosiona y forma un material en partfculas finas que actua para reducir la friccion. En otro ejemplo mas, un recubrimiento de fibra puede actuar como un material abrasivo y por lo tanto puede utilizarse para ayudar en el proceso de corte.
Para recubrir el tipo de fibra(s) que se utiliza en la herramienta de corte puede utilizarse cualquier material conocido. Por ejemplo, cualquier metal, ceramica, polfmero, vidrio, ensimaje, agente humectante, fundente u otra sustancia podna utilizarse para recubrir un tipo deseado de fibra(s) que puede incluirse en una herramienta de corte. En un ejemplo, las fibras de carbono podnan recubrirse con un metal, tal como hierro, titanio, mquel, cobre, molibdeno, plomo, tungsteno, aluminio, cromo o combinaciones de los mismos. En otro ejemplo, las fibras de carbono pueden recubrirse con un material ceramico, tal como SiC, SiO, SiO2 o similares.
Cuando las fibras se recubren con uno o mas recubrimientos, el material de recubrimiento puede cubrir cualquier porcion de las fibras y puede ser de cualquier espesor deseado. Por consiguiente, puede aplicarse un material de recubrimiento a las fibras de cualquier manera conocida en la tecnica. Por ejemplo, el recubrimiento puede aplicarse a las fibras mediante pulverizacion, cepillado, galvanoplastia, inmersion, deposicion de vapor o deposicion qmmica de vapor.
Las fibras en la porcion de corte de una herramienta de corte impregnada de diamante, tal como una broca de muestreo de nucleo, pueden ser de cualquier tamano o combinacion de tamanos, incluyendo mezclas de diferentes tamanos. Por ejemplo, las fibras pueden ser de cualquier longitud y tener cualquier diametro deseado. En algunas realizaciones, las fibras pueden ser aproximadamente de 10 a aproximadamente 25 000 micrometros de longitud y pueden tener un diametro de aproximadamente 1 a aproximadamente 500 micrometros. En otras realizaciones, las fibras pueden ser aproximadamente de 150 micrometros de longitud y pueden tener un diametro de aproximadamente 7 micrometros.
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Las fibras pueden ser de cualquier forma o combinacion de formas. Las fibras pueden ser de tipo cinta, cilmdricas, poligonales, eKpticas, rectas, curvadas, rizadas, enrolladas, dobladas en angulos, etc. Por ejemplo, la figura 2 ilustra que, en algunas realizaciones, la mayona de las fibras 6 pueden ser curvadas. En otras realizaciones, tal como cuando la herramienta de corte comprende una broca de muestreo de nucleo, las fibras tienen una forma sustancialmente cilmdrica.
Ademas, las fibras tambien pueden ser de cualquier tipo o combinacion de tipos. Los ejemplos de los tipos de fibras incluyen picadas, molidas, trenzadas, tejidas, agrupadas y enrolladas, o en estopas. En algunas realizaciones, tal como cuando la herramienta de corte comprende una broca de muestreo de nucleo, las fibras pueden contener una mezcla de fibras picadas y molidas.
En algunas realizaciones, una herramienta de corte impregnada de diamante contiene un tipo de fibra.
Sin embargo, en otras realizaciones, la herramienta de corte puede contener multiples tipos de fibras.
En tales casos, cuando una herramienta de corte contiene mas de un tipo de fibra, puede utilizarse cualquier combinacion de tipo de fibra, calidad, tamano, forma, grado, recubrimiento y/o fibra con cualquier otra caractenstica.
En la herramienta de corte las fibras pueden encontrarse en cualquier concentracion deseada. Por ejemplo, la porcion de corte de una herramienta de corte puede tener una concentracion muy alta de fibras, una concentracion muy baja de fibras, o cualquier concentracion intermedia. En algunas realizaciones, la herramienta de corte puede contener fibras que oscilan desde aproximadamente 0,1 hasta aproximadamente 70% en volumen. En otras realizaciones, la herramienta de corte puede contener fibras que oscilan desde aproximadamente 0,1 a aproximadamente 30 % en volumen. Una primera porcion de la herramienta de corte puede tener una primera concentracion de un tipo particular de fibra de refuerzo y otra porcion puede tener una concentracion diferente (ya sea inferior o superior) del mismo o de otro tipo de fibra de refuerzo.
En algunas realizaciones, las fibras pueden dispersarse de forma homogenea a lo largo de la porcion de corte de una herramienta de corte. Sin embargo, en otras realizaciones, la concentracion de fibras puede variar a lo largo de cualquier porcion deseada de una herramienta de corte, segun se desee. De hecho, en una herramienta de corte puede implementarse cualquier variacion deseada de la concentracion de fibras. Por ejemplo, cuando la herramienta de corte comprende una broca de muestreo de nucleo, esta puede contener un gradiente de fibras. En este ejemplo, la porcion de la capa de matriz que esta mas proxima a la cara de corte de la broca puede contener una primera concentracion de fibras y la concentracion de fibras podna disminuir o aumentar gradualmente hacia la capa de apoyo. Tal broca puede utilizarse para perforar una formacion que comienza con una formacion suave, abrasiva, no consolidada, que gradualmente cambia a una formacion dura no consolidada. De este modo, la dispersion de las fibras en la broca puede adaptarse a la formacion de tierra deseada a traves de la que se perforara.
La concentracion de fibras en la herramienta de corte tambien puede variar de cualquier manera deseada. En otras palabras, una herramienta de corte puede comprender secciones, bandas, puntos, anillos o cualquier otra formacion que contenga una concentracion o mezcla diferente de refuerzos de fibras que otras partes de la herramienta de corte. Por ejemplo, la porcion de corte de una broca puede comprender multiples capas, anillos o segmentos de capa de matriz que contienen fibras. Cada anillo, capa o segmento de la broca puede tener una concentracion mas o menos homogenea (o heterogenea) de fibras a lo largo de todo el anillo, capa o segmento. Sin embargo, la concentracion de fibras puede variar de anillo a anillo (o de segmento a segmento, etc.). Y los diversos anillos de diferentes gradientes de fibra pueden estar dispuestos en cualquier orden, pueden contener diferentes fibras o combinaciones de fibras y pueden ser de cualquier espesor deseado. En otro ejemplo, las superficies exterior e interior de una broca podfan proporcionarse con una concentracion diferente de fibras que las partes internas de la broca.
Las fibras pueden estar situadas en la porcion de corte de una herramienta de corte en cualquier orientacion o alineacion deseada. En algunas realizaciones, las fibras pueden mantenerse mas o menos paralelas entre sf en cualquier direccion deseada. Sin embargo, las figuras 2 y 4 ilustran que, en otras realizaciones, las fibras pueden estar configuradas aleatoriamente y, de este modo, estar orientadas en practicamente cualquier direccion y/o en todas direcciones.
Las herramientas de corte impregnadas de diamante con fibras pueden fabricarse utilizando cualquier metodo conocido que les proporcione las caractensticas descritas anteriormente. Por ejemplo, la broca descrita anteriormente puede fabricarse de la siguiente manera a modo de ejemplo. En este ejemplo, la primera seccion de la broca puede fabricarse con cualquier metodo conocido. Las fibras pueden incorporarse en la broca utilizando cualquier metodo que proporcione las fibras deseadas en la posicion deseada con la concentracion deseada. Por ejemplo, las fibras pueden mezclarse con el metal en polvo que se utiliza para fabricar la corona de la broca. Esta mezcla puede entonces sinterizarse y/o infiltrarse con un aglutinante. Sin embargo, en otras realizaciones, las fibras pueden incorporarse simplemente colocandolas en el molde que se usa para fabricar la corona de la broca. La primera seccion de la broca puede conectarse a continuacion a la segunda seccion utilizando cualquier metodo conocido en la tecnica. Por ejemplo, la primera seccion puede estar presente en el molde que se utiliza para formar la segunda seccion de la broca y los dos extremos del cuerpo pueden fusionarse entre sf. Alternativamente, la primera y la segunda seccion pueden unirse en un proceso secundario tal como mediante soldadura fuerte, soldadura o union adhesiva.
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Las herramientas de corte impregnadas de diamante con fibras pueden utilizarse para cualquier proposito conocido en la tecnica, que depende del tipo de herramienta de corte. Por ejemplo, una broca de muestreo nucleo impregnada de diamante puede unirse al extremo de una serie de perforacion, que a su vez esta conectada a un equipo de perforacion. A medida que la serie de perforacion y, por lo tanto la broca, se gira y se empuja mediante la broca, desbasta los materiales en las formaciones subterraneas que se estan perforando. Las muestras de nucleo que se perforan se retiran de la serie de perforacion. La porcion de corte de la broca se erosionara con el tiempo debido al amolado. Este proceso puede continuar hasta que se haya consumido la porcion de corte de una broca y haya que sacar la serie de perforacion del taladro y reemplazar la broca.
Las fibras descritas dan a las herramientas de corte impregnadas de diamante varias ventajas anadidas cuando se comparan con las herramientas de corte convencionales que carecen de fibras. En primer lugar, la adicion de las fibras puede controlar la resistencia a la traccion y la tasa de erosion de la herramienta de corte, ya sea para fortalecer o debilitar estas propiedades. Sin restringirse a este entendimiento, se cree que la presencia de las fibras puede utilizarse para modificar la cantidad de huecos en la porcion de corte de las herramientas. Y puesto que la resistencia a la traccion y la tasa de erosion dependen de la cantidad de huecos, la modificacion de la cantidad de fibras puede utilizarse para adaptar la resistencia a la traccion y la tasa de erosion a la cantidad necesaria para el uso final particular de la herramienta de corte. Este aumento de la resistencia a la traccion tambien puede aumentar la vida util de una herramienta de corte, permitiendo que la porcion de corte de las herramientas se desgaste a un ritmo deseado y mejorando la tasa a la que corta la herramienta.
En segundo lugar, la adicion de fibras tambien puede debilitar la estructura de la porcion de corte y permitir que se utilicen aglutinantes de modulo superior para las herramientas de corte, pero a un coste menor. De este modo, la cantidad de fibras en la porcion de corte puede adaptarse para retener los diamantes en la pocion de corte durante el periodo de tiempo deseado.
Una tercera ventaja es que las fibras tambien pueden actuar como medios de corte abrasivos que ayudan en el proceso de corte. Una cuarta ventaja es que a medida que las fibras de la porcion de corte se erosionan, su materia en partfculas finas puede reducir la friccion y aumentar la lubricacion en la interfaz entre la porcion de corte y la superficie a cortar, permitiendo un corte mas facil y un mejor lavado. Este aumento de la lubricacion tambien puede reducir la cantidad de lubricantes de corte (tales como lodos de perforacion, polfmeros, bentonitas, etc.) que se necesitan, reduciendo los costes, asf como el impacto ambiental que puede asociarse con el uso de herramientas de corte impregnadas de diamante.
Ejemplo
En un ejemplo de una comparacion entre una herramienta de corte impregnada de diamante convencional (una que carece de fibras) y una herramienta de corte impregnada de diamante que contiene fibras, se fabricaron dos conjuntos de brocas sustancialmente similares. En esta comparacion, el primer conjunto de brocas no contema fibras y el segundo conjunto estaba reforzado con fibras de carbono. A continuacion, se ensayo cada broca y se midieron las siguientes propiedades.
Tasa de penetracion: las tasas de penetracion medias del primer conjunto de brocas oscilaron entre 30 y 40 metros por turno. Sin embargo, con el segundo conjunto de barrenas reforzadas con fibra, los perforadores lograron consistentemente aproximadamente 50 metros por turno. Esto equivale a un aumento en la tasa de penetracion de aproximadamente un 25 % a aproximadamente un 67 %.
Vida de las barrenas: la vida media de las barrenas del primer conjunto de brocas fue de 64 metros. Por el contrario, la vida media de las barrenas del segundo conjunto de brocas fue de 104 metros aproximadamente. Esto equivale a un aumento en la vida de las barrenas de aproximadamente el 60 %.

Claims (18)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una herramienta de corte, que comprende una porcion de corte, comprendiendo la porcion de corte:
    una matriz (27) de material en partfculas duras;
    un aglutinante infiltrado dentro de la matriz (27) de material en partfculas duras;
    una pluralidad de medios de corte impregnados dentro de la matriz (27) de material en partfculas duras; caracterizada por que
    una pluralidad de fibras (36) esta contenida dentro de la matriz (27) de material en partfculas duras, en la que la pluralidad de fibras (36) tiene una longitud de 10 a 25 000 micrometros y un diametro de entre 1 y 500 micrometros, y en la que la porcion de corte esta configurada para erosionarse y exponer el medio de corte impregnado dentro de la matriz (27).
  2. 2. La herramienta de corte de la reivindicacion 1, en la que las fibras (36) comprenden fibras de carbono o fibras de vidrio o fibras metalicas o fibras de polfmero o fibras ceramicas o combinaciones de las mismas.
  3. 3. La herramienta de corte de la reivindicacion 1, en la que la herramienta de corte comprende una broca (20).
  4. 4. La herramienta de corte de la reivindicacion 1, en la que la herramienta de corte comprende un hilo de diamante.
  5. 5. La herramienta de corte de la reivindicacion 1, en la que las fibras (36) estan recubiertas con carbon o metal o
    vidrio o polfmero o ceramica o combinaciones de los mismos.
  6. 6. La herramienta de corte de la reivindicacion 3, en la que la herramienta de corte comprende una broca de muestreo de nucleo.
  7. 7. La herramienta de corte de la
  8. 8. La herramienta de corte de la
  9. 9. La herramienta de corte de micrometros.
  10. 10. La herramienta de corte de la reivindicacion 1, en la que la concentracion de fibras (36) oscila desde 0,1 a 70 % en volumen.
  11. 11. La herramienta de corte de la reivindicacion 10, en la que la concentracion de fibras (36) oscila desde 0,1 a 30 % en volumen.
  12. 12. Un metodo para fabricar una herramienta de corte, que comprende:
    acoplar operativamente una porcion de corte a una porcion para unirla a una serie de perforacion,
    comprendiendo la porcion de corte:
    una matriz de material en partfculas duras;
    un aglutinante infiltrado dentro de la matriz de material en partfculas duras;
    una pluralidad de medios de corte impregnados dentro de la matriz de material en partfculas duras; y una pluralidad de fibras (36) contenidas dentro de la matriz de material en partfculas duras, en el que la pluralidad de fibras (36) tiene una longitud de 10 a 25 000 micrometros y un diametro de entre 1 micrometro y 500 micrometros, y en el que la porcion de corte esta configurada para erosionar y exponer el medio de corte impregnado dentro de la matriz.
  13. 13. El metodo de la reivindicacion 12, en el que las fibras (36) comprenden fibras de carbono o fibras de vidrio o fibras metalicas o fibras de polfmero o fibras ceramicas o combinaciones de las mismas.
  14. 14. El metodo de la reivindicacion 12, en el que la broca comprende una broca de muestreo de nucleo.
  15. 15. El metodo de la reivindicacion 14, en el que las fibras de carbono comprenden fibras de carbono picadas o molidas.
  16. 16. El metodo de la reivindicacion 12, en el que las fibras estan recubiertas con carbono o metal o vidrio o polfmero o ceramica o combinaciones de los mismos.
  17. 17. El metodo de la reivindicacion 12, que comprende ademas seleccionar la cantidad de fibras (36) dentro de la porcion de corte para regular la resistencia a la traccion y la tasa de erosion de la porcion de corte.
    reivindicacion 1, en la que las fibras comprenden fibras picadas o molidas. reivindicacion 1, en la que el medio de corte comprende cristales de diamante. la reivindicacion 1, en la que las fibras (36) tienen una longitud de 10 a 25 000
  18. 18. Un sistema para perforar, que comprende: una serie de perforacion; y
    una herramienta de corte como se detalla en una cualquiera de las reivindicaciones 1-11.
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