ES2912991T3

ES2912991T3 - Cuerpo de carburo cementado con gradiente y método de fabricación del mismo

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Publication number: ES2912991T3
Application number: ES19185452T
Authority: ES
Inventors: Mirjam Lilja; Ida Borgh; Ioannis Arvanitidis; Leif Åkesson; Xueying Hai; Susanne Norgren
Original assignee: Sandvik Mining and Construction Tools AB
Current assignee: Sandvik Mining and Construction Tools AB
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: ZA202108267B; EP3763840B1; PE20212364A1; JP2022540213A; BR112021026361A2; AU2020312178A1; CN114080285A; WO2021005076A1; EP3763840A1; US20220275485A1; CL2021003556A1; CA3136775A1; CN114080285B; MX2022000431A

Abstract

Método para producir un inserto para minería de carburo cementado que comprende las etapas de: - proporcionar un compacto de inserto para minería verde formado a partir de un primer polvo que comprende una fase dura a base de WC, opcionalmente uno o más componentes de la fase dura adicionales y un aglutinante; - aplicar un segundo polvo que comprende un compuesto refinador de grano y/o un promotor del crecimiento de grano a base de carbono a al menos una parte de la superficie del compacto de inserto para minería verde; y - sinterizar el compacto de inserto para minería verde para producir un inserto para minería de carburo cementado a una temperatura de 1300°C a 1600°C durante 15 minutos a 5 horas; en el que dicho primer polvo comprende adicionalmente Cr, en una cantidad tal que la relación en masa de Cr/aglutinante es de 0,01-0,3, en el que las concentraciones químicas dentro del inserto para minería de carburo cementado se miden usando espectroscopía de dispersión de longitud de onda (WDS) a lo largo de la línea central de un inserto para minería de carburo cementado de sección transversal;

Description

DESCRIPCIÓN

Cuerpo de carburo cementado con gradiente y método de fabricación del mismo

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método para fabricar un inserto para minería de carburo cementado y un inserto para minería de carburo cementado que tiene un gradiente químico y de dureza.

Antecedentes

El carburo cementado tiene una combinación única de alto módulo elástico, alta dureza, alta resistencia a la compresión, alta resistencia al desgaste y a la abrasión con un buen nivel de tenacidad. Por lo tanto, el carburo cementado se usa comúnmente en productos tales como herramientas de minería. En general, la dureza y la tenacidad del carburo cementado se pueden modificar cambiando el contenido de aglutinante y el tamaño de grano de la fase dura. Por lo general, un mayor contenido de aglutinante aumentará la tenacidad del carburo cementado, pero disminuirá su dureza y resistencia al desgaste. Un tamaño de grano de la fase dura más fino dará como resultado un carburo cementado con una dureza más alta que es más resistente al desgaste, mientras que un tamaño de grano de la fase dura más grueso no será tan duro, pero tendrá una mayor resistencia al impacto.

Para maximizar la eficiencia de los insertos de minería de carburos cementados, se desea una combinación de estas propiedades y existen diferentes demandas sobre el material en diferentes partes del producto. Por ejemplo, en insertos para perforación de rocas y corte de minerales, es deseable tener un interior más tenaz para minimizar el riesgo de fallos y un exterior más duro para optimizar la resistencia al desgaste.

El documento EP2355948A1 describe un método para producir un cuerpo de carburo cementado que tiene un gradiente en las propiedades del material. Específicamente, el método comprende proporcionar: (1) un compuesto refinador del grano y (2) un promotor del crecimiento del grano, en al menos una parte de la superficie de un compacto de un material de partida a base de WC que comprende uno o más componentes de la fase dura y un aglutinante, y después sinterizar el compacto. Este método produce un cuerpo de carburo cementado que comprende una fase dura a base de WC y una fase aglutinante, en donde al menos una parte de una zona superficial intermedia tiene un contenido promedio de aglutinante más bajo que una parte más adentro del cuerpo, y al menos una parte de una zona superficial superior tiene en promedio un tamaño de grano de WC promedio, mayor que la zona superficial intermedia. El documento US2004/009088 describe un carburo cementado que se ha sumergido en una dispersión de agua destilada y V²O⁵.

Sin embargo, todavía existe la necesidad de optimizar aún más las propiedades de los insertos para minería de carburo cementado para que duren más y tengan un rendimiento operativo mejorado.

Definiciones

El término "en volumen" se refiere en la presente memoria al carburo cementado de la parte más interna (centro) del inserto para perforación de roca, que es la zona que tiene la dureza más baja.

El término "verde" se refiere a un inserto para minería de carburo cementado producido al moler conjuntamente el(los) componente(s) de la fase dura y el aglutinante y después prensar el polvo molido para formar un inserto para minería de carburo cementado compacto, que aún no ha sido sinterizado.

El término "a base de carbono" significa un compuesto que puede liberar carbono y podría ser, por ejemplo, carbono libre, grafito, hollín, un carburo o un compuesto orgánico, p.ej una celulosa.

Resumen

Por lo tanto, la presente invención proporciona un método para producir un inserto para minería de carburo cementado que comprende las etapas de:

- proporcionar un compacto de inserto para minería verde formado a partir de un primer polvo que comprende una fase dura a base de WC, opcionalmente uno o más componentes de la fase dura adicionales y un aglutinante;

- aplicar un segundo polvo que comprende un compuesto refinador de grano y/o un promotor del crecimiento de grano a base de carbono a al menos una parte de la superficie del compacto de inserto para minería verde; y

- sinterizar el compacto de inserto para minería verde para producir un inserto para minería de carburo cementado a una temperatura de 1300°C a 1600°C durante 15 minutos a 5 horas;

en el que dicho primer polvo comprende adicionalmente Cr, en una cantidad tal que la relación en masa de Cr/aglutinante es de 0,01-03, en el que las concentraciones químicas dentro del inserto para minería de carburo cementado se miden usando espectroscopía de dispersión de longitud de onda (WDS) a lo largo de la línea central de un inserto para minería de carburo cementado de sección transversal; caracterizado por que el compuesto refinador de grano en el segundo polvo comprende Cr y C y/o N.

La ventaja de este método es que proporciona un medio para producir un inserto para minería de carburo cementado que tiene el perfil de gradiente químico y de dureza deseado para conseguir un alto rendimiento frente al desgaste. Además, la presente invención proporciona un inserto para minería de carburo cementado que comprende uno o más componentes de la fase dura y un aglutinante caracterizado por que:

- la relación en masa de % de Cr/% de aglutinante en el volumen es de al menos 0,03; y

- hay un gradiente de relación en masa de % de Cr/% de aglutinante desde al menos una parte de la superficie hasta el volumen del inserto para minería de carburo cementado en el que (R^max+ R^min)/2 se encuentra a una profundidad de entre 8-70%, en porcentaje de la altura total del inserto para minería de carburo cementado sinterizado, donde R^maxes la relación máxima en masa % de Cr/% de aglutinante y R^mines la relación mínima en masa % de Cr/% de aglutinante; en donde las concentraciones químicas dentro del inserto para minería de carburo cementado se miden usando espectroscopía de dispersión de longitud de onda (WDS) a lo largo de la línea central de un inserto para minería de carburo cementado de sección transversal.

La ventaja de este inserto para minería de carburo cementado es que proporciona mejores propiedades de desgaste y, por lo tanto, los insertos tendrán una vida útil más larga en el campo.

Breve descripción de los dibujos

Figura 1: Perfiles de concentración de Co para las muestras B, C, D, E y F.

Figura 2: perfiles de concentración de Cr para las muestras B, C, D, E y F.

Figura 3: Perfiles de concentración de Cr/Co para las muestras B, C, D, E y F.

Figura 4: Perfiles de concentración de Co para las muestras G, H, I y J.

Figura 5: Perfiles de concentración de Cr para las muestras H, I y J.

Figura 6: Perfiles de concentración de Cr/Co para las muestras H, I y J.

Las Figuras 7-16 muestran gráficas de isodureza para las muestras A, B, C, D, E, F, G, H, I y J respectivamente. Figura 17: Gráficos de línea central HV3 para las muestras A, B, C, D, E y F.

Figura 18: Gráficos de línea central HV3 para las muestras G, H, I y J.

Descripción detallada

De acuerdo con un aspecto, la presente invención se refiere a un método para producir un inserto para minería de carburo cementado que comprende las etapas de:

En la presente invención, el término "verde" se refiere a un inserto para minería de carburo cementado producido al moler conjuntamente el(los) componente(s) de la fase dura y el aglutinante y después prensar el polvo molido para formar un inserto para minería de carburo cementado compacto, que aún no ha sido sinterizado.

El término "a base de WC" significa que la fase dura comprende al menos 80 % en peso de WC, preferiblemente al menos 90 % en peso. El tamaño de grano de WC se elige para adaptarse a las propiedades finales deseadas del carburo cementado, por ejemplo, la conductividad térmica, la dureza y la tenacidad requeridas. Si el tamaño del grano es demasiado pequeño, el carburo cementado no será lo suficientemente tenaz. Por lo tanto, el tamaño de grano de WC del material bruto podría ser adecuadamente 1 pm, preferiblemente >1,25 pm, más preferiblemente >1,5 pm, incluso más preferiblemente >1,75 pm, lo más preferiblemente >2,0 pm. Si el tamaño de grano es demasiado grande, el material se vuelve difícil de sinterizar y no es lo suficientemente duro. Por lo tanto, el tamaño de grano de WC del material bruto podría ser adecuadamente < 18 pm, preferiblemente < 10 pm. Los tamaños de grano de WC se miden utilizando el calibrador modelo 95 de Fisher de sub-tamiz (FSSS) antes de la molienda.

El uno o más componentes adicionales de la fase dura se pueden seleccionar entre TaC, TiC, TiN, TiCN, NbC. El aglutinante se puede seleccionar entre Co, Ni, Fe o una mezcla de los mismos, preferiblemente Co y/o Ni, lo más preferiblemente Co. El inserto para minería de carburo tiene un contenido de aglutinante adecuado de aproximadamente 4 a aproximadamente 30% en peso, preferiblemente de aproximadamente 5 hasta aproximadamente 15 % en peso, lo que proporciona el equilibrio optimizado entre dureza y tenacidad para los insertos para minería. El inserto para minería de carburo cementado también puede comprender opcionalmente un compuesto refinador de grano en una cantidad de <20% en peso del contenido de aglutinante. El compuesto refinador de grano se selecciona adecuadamente del grupo de carburos, carburos mixtos, carbonitruros o nitruros de vanadio, cromo, tántalo y niobio.

Se ha observado que, de forma importante, el primer polvo también comprende Cr, en una cantidad tal que la relación de masa de Cr/aglutinante es de 0,01-0,3. La relación de masa de Cr/aglutinante se calcula dividiendo el porcentaje en peso (% en peso) del Cr añadido a la mezcla en polvo por el % en peso del aglutinante en la mezcla en polvo, donde los porcentajes en peso se basan en el peso de ese componente. en comparación con el peso total de la mezcla en polvo. En gran medida, el Cr se disuelve en la fase aglutinante, sin embargo, podría haber alguna cantidad, p.ej., hasta 1% de área, detectada a partir del análisis de imagen SEM, de carburo de cromo no disuelto en el cuerpo de carburo cementado. Sin embargo, puede ser preferible añadir Cr solo hasta la relación en masa de Cr/aglutinante de modo que todo el Cr se disuelva en el aglutinante de modo que el cuerpo de carburo cementado sinterizado esté libre de carburos de cromo no disueltos.

La adición de Cr también tiene el efecto de mejorar la resistencia a la corrosión del cuerpo de carburo cementado. La presencia de Cr también hace que el aglutinante sea propenso a transformarse de fcc a hcp durante la perforación, lo que es beneficioso para absorber parte de la energía generada en la operación de perforación. La transformación endurecerá así la fase de aglutinante y reducirá el desgaste del pulsador durante su uso. La presencia de Cr aumentará la resistencia al desgaste del carburo cementado y aumentará su capacidad de endurecimiento por deformación. La combinación del Cr en el polvo de carburo cementado y la aplicación del polvo que comprende un compuesto refinador de grano y, opcionalmente, un promotor del crecimiento de grano a base de carbono, a al menos una parte de la superficie del compacto produce un cuerpo de carburo cementado que tiene un gradiente químico y de dureza que produce un inserto para minería de carburo cementado con alta resistencia al desgaste.

La relación en masa de Cr/aglutinante está entre 0,01 y 0,3, preferiblemente entre 0,02 y 0,25, lo más preferiblemente entre 0,03 y 0,18. Si la relación en masa de Cr/aglutinante es demasiado baja, los efectos positivos del Cr serán demasiado pequeños. Si, por el contrario, la relación en masa de Cr/aglutinante es demasiado alta, habrá una mayor formación en la concentración de carburos de cromo, en los que se disolverá el aglutinante, reduciendo así el volumen de la fase aglutinante y, en consecuencia, haciendo el cuerpo de carburo cementado demasiado frágil. El equilibrio óptimo entre la obtención de los efectos positivos maximizados de la adición de Cr sin añadir demasiado como para que aumente la fragilidad del carburo cementado se logra en una extensión aún mayor en los intervalos preferidos.

El Cr normalmente se añade a la mezcla de polvo en forma de C ³C²ya que esto proporciona la proporción más alta de Cr por gramo de polvo, aunque se entiende que el Cr podría añadirse a la mezcla de polvo usando un carburo de cromo alternativo como Cr²³C⁶o Cr⁷C³o como un nitruro de cromo.

Aparte del componente que forma la fase dura, el aglutinante y el componente que contiene Cr, pueden estar presentes impurezas incidentales en el material de partida a base de WC.

El compacto de inserto para minería verde se produce moliendo conjuntamente una mezcla en polvo que contiene toda la fase dura, aglutinante, cromo y cualquier otro componente en polvo y prensando después el polvo en forma de un inserto para minería. También se puede añadir carbono y/o tungsteno a la mezcla en polvo para proporcionar el equilibrio de carbono deseado en el polvo de carburo cementado.

A continuación, se aplica un segundo polvo que comprende un compuesto refinador de grano y/o un promotor del crecimiento de grano a base de carbono, a al menos una parte de la superficie del compacto de inserción de minería verde. El refinador de grano es según la invención un compuesto de Cr y C y/o N. Preferiblemente, el compuesto refinador de grano es un carburo o nitruro de cromo, tal como Cr³C², Cr²³C⁶, Cr⁷C³, Cr²N o CrN, lo más preferiblemente, carburos de cromo, tales como C ³C², C ²³C⁶, o C ⁷C³. El promotor del crecimiento del grano promueve preferiblemente la migración de aglutinante al cuerpo de carburo cementado. El promotor del crecimiento de grano es adecuadamente carbono. El carbono proporcionado sobre la superficie del compacto puede estar en forma de carbono depositado de una atmósfera carburizante, carbono amorfo, que está presente en, p. ej., hollín y negro de humo o grafito. Preferiblemente, el carbón está en forma de hollín o grafito. El segundo polvo aplicado a al menos una parte de la superficie del inserto para minería verde, puede comprender solo el compuesto refinador de grano o solo el promotor del crecimiento de grano a base de carbono o ambos, el compuesto refinador de grano y el promotor del crecimiento de grano a base de carbono.

Si el segundo polvo comprende ambos, un compuesto refinador de grano y un promotor del crecimiento de grano a base de carbono, la relación en peso del compuesto refinador de grano a promotor del crecimiento de grano es adecuadamente de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 50, preferiblemente de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 25, más preferiblemente de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 15, incluso más preferiblemente de aproximadamente 0,3 a aproximadamente 13.

El compuesto refinador de grano se proporciona adecuadamente sobre la superficie o superficies en una cantidad de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 100 mg/cm2, preferiblemente en una cantidad de aproximadamente 1 a aproximadamente 50 mg/cm2. El promotor del crecimiento de grano se proporciona adecuadamente sobre la superficie o superficies en una cantidad de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 20 mg/cm2, preferiblemente en una cantidad de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 15 mg/cm2.

Se puede proporcionar una parte o varias partes separadas del compacto con el compuesto refinador de grano y el promotor del crecimiento de grano.

El compuesto refinador de grano y/o promotor del crecimiento de grano se puede proporcionar mediante la aplicación al compacto en forma de una dispersión o suspensión líquida separada o combinada. En tal caso, la fase líquida es adecuadamente agua, un alcohol o un polímero tal como polietilenglicol. El compuesto refinador de grano y el promotor del crecimiento de grano se pueden proporcionar alternativamente mediante la aplicación en forma de sustancias sólidas al compacto, preferiblemente en polvo. La aplicación del compuesto refinador de grano y el promotor del crecimiento de grano sobre el compacto se realiza adecuadamente aplicando el compuesto refinador de grano y el promotor del crecimiento de grano sobre el compacto mediante inmersión, pulverización, pintura o aplicación sobre el compacto de cualquier otra forma. Cuando el promotor del crecimiento de grano es carbono, puede proporcionarse alternativamente al compacto desde una atmósfera de carburización. La atmósfera de carburización comprende adecuadamente uno o más de monóxido de carbono o un alcano C1-C4, es decir, metano, etano, propano o butano. La carburización se realiza adecuadamente a una temperatura de aproximadamente 1200 a aproximadamente 1550°C. Preferiblemente, el polvo se aplica al 10-100% de la superficie del cuerpo.

Alternativamente, el compuesto refinador de grano y/o el promotor del crecimiento de grano se aplican sobre la superficie de un compacto combinando el compuesto refinador de grano y/o el promotor del crecimiento de grano con un material de partida en polvo a base de WC que luego se prensa en un compacto. La provisión del compuesto refinador de grano y/o el promotor del crecimiento de grano en la superficie del compacto se realiza adecuadamente introduciendo el compuesto refinador de grano y/o el promotor del crecimiento de grano en un molde de prensado antes de la introducción de un material de partida en polvo a base de WC seguido de prensado. El compuesto refinador de grano y/o el promotor del crecimiento de grano se introducen adecuadamente en el molde de prensado como una dispersión o suspensión. En tal caso, la fase líquida en la que se dispersa o disuelve el compuesto refinador de grano es adecuadamente agua, un alcohol o un polímero tal como polietilenglicol. Alternativamente, uno o ambos del compuesto refinador de grano y el promotor del crecimiento de grano se introducen en el molde de prensado como una sustancia sólida.

El compacto de inserto para minería verde se sinteriza después para producir el inserto para minería de carburo cementado. La temperatura de sinterización es de acuerdo con la invención de aproximadamente 1300°C a aproximadamente 1600°C, preferiblemente de aproximadamente 1350°C a aproximadamente 1550°C para evitar el crecimiento anormal del grano. El tiempo de sinterización es de acuerdo con la invención de aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 5 horas, preferiblemente de aproximadamente 30 minutos a aproximadamente 2 horas. Normalmente, se emplea después una etapa de trituración para obtener las dimensiones precisas del cuerpo de carburo cementado según se requiera. Si el cuerpo de carburo cementado es un inserto para minería para perforación de rocas, el inserto generalmente tendrá una parte de base cilíndrica y una parte superior redondeada, que puede ser hemisférica, cónica o asimétrica. Típicamente, la superficie curva de la parte de base cilíndrica se tritura para obtener el diámetro preciso requerido, mientras que las superficies de la parte superior y la parte de base cilíndrica se mantienen en su estado sinterizado. Durante la sinterización, el refinador de grano se difunde lejos de la superficie o superficies provistas con el compuesto refinador de grano.

En una realización, el inserto para minería de carburo cementado se trata con un proceso de volteo. Los insertos para minería de carburo cementado se someten a un tratamiento posterior de endurecimiento de la superficie que introduce altos niveles de esfuerzo de compresión en los insertos. Para los insertos para minería, esto normalmente sería un tratamiento de volteo, que podría ser centrífugo o vibratorio. Sin embargo, se podrían utilizar otros métodos de endurecimiento superficial como tratamientos posteriores, p. ej., granallado. Después del volteo, normalmente se mide un aumento en la coercitividad magnética (kA/m).

Un proceso de volteo "estándar" normalmente se haría usando un tambor vibratorio, como una Reni Cirillo RC 650, donde se voltearían unos 30 kg de insertos a 50 Hz durante aproximadamente 40 minutos. Un proceso de volteo "estándar" típico alternativo sería usar un tambor centrífugo como el ERBA-120 que tiene una tapa cerrada en la parte superior y tiene un disco giratorio en la parte inferior. Se alimenta continuamente agua de enfriamiento con antioxidantes con 5 litros por minuto cuando el disco (0600 mm) gira. También se pueden añadir medios de carburo cementado para aumentar la carga en el tambor. La rotación hace que los insertos choquen con otros insertos o con cualquier medio añadido. La colisión y el deslizamiento eliminan los bordes afilados y provocan el endurecimiento por deformación. Para el volteo "estándar" usando un tambor centrífugo, la operación de volteo normalmente se ejecutaría desde 120 RPM durante al menos 20 minutos.

En una realización del método, el proceso de volteo es un método de "volteo de alta energía" (HET). Para introducir niveles más altos de esfuerzos de compresión en el inserto para minería de carburo cementado, se puede usar un proceso de volteo de alta energía. Hay muchas configuraciones de procesos posibles diferentes que podrían usarse para introducir HET, incluido el tipo de tambor, el volumen de medios añadidos (si hubiera), el tiempo de tratamiento y la configuración del proceso, p. ej. RPM para un tambor centrífugo, etc. Por lo tanto, la forma más apropiada de definir el HET es en términos de "cualquier configuración de proceso que introduce un grado específico de endurecimiento por deformación en un inserto para minería de carburo cementado homogéneo que consiste en WC-Co, que tiene una masa de aproximadamente 20g". HET se define como un tratamiento de volteo que introduciría un cambio de dureza, medido usando HV3, después del volteo (AHV3%) de al menos:

AHV3% = 9,72 - 0,00543*HV3^volumen(ecuación 1)

Donde:

AHV3% = 100*(HV3^0,3mm- HV3^volumen)/HV3volumen (ecuación 2)

HV3^volumenes un promedio de al menos 30 puntos de indentación medidos en el interior (centro) del inserto para minería de carburo cementado y HV3^0.3mmes un promedio de al menos 30 puntos de indentación a 0,3 mm por debajo de la superficie volteada del inserto para minería de carburo cementado. Esto se basa en las medidas realizadas en un inserto para minería de carburo cementado que tiene propiedades homogéneas. Por "propiedades homogéneas" queremos decir que después de la sinterización, la diferencia de dureza no es más del 1% desde la zona superficial hasta la zona del volumen. Los parámetros de volteo usados para lograr el endurecimiento por deformación descrito en las ecuaciones (1) y (2) en un inserto para minería de carburo cementado homogéneo se aplicarían a cuerpos de carburo cementado que tienen una propiedad de gradiente.

El volteo HET normalmente se puede realizar usando un ERBA 120, que tiene un tamaño de disco de aproximadamente 600 mm, que funciona a aproximadamente 150 RPM si la operación de volteo se realiza sin medios o con medios de mayor tamaño que los insertos que se están volteando, o a aproximadamente 200 RPM si los medios usados son más pequeños que los insertos que se están volteando; Usando un tambor Rosler, que tiene un tamaño de disco de aproximadamente 350 mm, a aproximadamente 200 RPM si la operación de volteo se lleva a cabo sin medios o con medios de mayor tamaño que los insertos que se están volteando, o a aproximadamente 280 RPM si se usan los medios más pequeños que los insertos que se están volteando. Normalmente, las partes se voltean durante al menos 40-60 minutos.

Otro aspecto de la presente invención se refiere a un inserto para minería de carburo cementado que comprende uno o más componentes de la fase dura y un aglutinante caracterizado por que:

- la relación en masa de % de Cr/% de aglutinante en el volumen (R^volumen) es al menos 0,03; y

- hay un gradiente de relación en masa de % de Cr/% de aglutinante desde al menos una parte de la superficie hasta el volumen del inserto para minería de carburo cementado en el que (R^max+ R^min)/2 está a una profundidad de entre 8-70 %, preferiblemente 10-60 %, lo más preferiblemente 10-50 %, en porcentaje de la altura total del inserto para minería de carburo cementado sinterizado, donde R^maxes la relación máxima en masa de% de Cr/% de aglutinantey R^mines la relación mínima en masa de % de Cr/% de aglutinante; en donde las concentraciones químicas dentro del inserto para minería de carburo cementado se miden usando espectroscopía de dispersión de longitud de onda (WDS) a lo largo de la línea central de un inserto para minería de carburo cementado de sección transversal.

R^mina menudo se encuentra entre el centro y la parte inferior del inserto, y R^maxa menudo se encuentra justo en o justo debajo de la parte superior del inserto.

En una realización, el aglutinante es preferiblemente Co, por lo tanto, el % de aglutinante se refiere al % de Co.

En una realización, la relación máxima en masa de % de Cr/% de aglutinante (R^max) es al menos 0,010, preferiblemente 0,012 mayor que la relación en masa de % de Cr/% de aglutinante en el volumen (R^volumen) del inserto para minería de carburo cementado.

En una realización, hay un % de aglutinante mínimo (% de aglutinante^min) a una profundidad, en porcentaje de la altura total del inserto para minería de carburo cementado sinterizado, de 0-8%, preferiblemente 0-5%.

En una realización, la relación de % de aglutinante mínimo (% de aglutinante^min) / % de aglutinante en el volumen (% de aglutinante^volumen) está entre 0,2 y 0,99, preferiblemente entre 0,3 y 0,95.

Las concentraciones químicas dentro del inserto para minería de carburo cementado se miden usando espectroscopía de dispersión de longitud de onda (WDS) a lo largo de la línea central de un inserto para minería de carburo cementado de sección transversal.

Este gradiente químico es importante porque introduce más esfuerzo de compresión que es beneficioso para mejorar las propiedades de desgaste del carburo cementado. También se introducen esfuerzos de compresión a partir del proceso de volteo, la cantidad de esfuerzo de compresión introducida se ve reforzada por la presencia del cromo. Además, la presencia del cromo mejora la resistencia a la corrosión del inserto para minería. El agotamiento en la concentración de aglutinante cerca de la superficie del inserto también ayuda a la resistencia al desgaste.

En una realización, también pueden estar presentes precipitados de (Cr, aglutinante, W)C, por ejemplo, precipitados de (Cr, Co, W)C, en los insertos para minería de carburo cementado de la presente invención. Sin estar ligado a esta teoría, una hipótesis es que la presencia de estos precipitados evita que se formen dislocaciones en el material.

En una realización, existe un gradiente de dureza posterior a HET desde al menos una parte de la superficie hasta el volumen del carburo cementado, tal que:

- la dureza HV3 a una profundidad de 0,3 mm (HV30^,3mm) es un 3 %, preferiblemente un 5 %, mayor que la dureza HV3 en el volumen (HV3^volumen) del inserto para minería de carburo cementado.

La dureza de los insertos de carburo cementado se mide utilizando el mapeo de dureza Vickers. Los cuerpos de carburo cementado se seccionan a lo largo del eje longitudinal y se pulen utilizando procedimientos estándar. A continuación, se distribuyen simétricamente huellas Vickers con una carga de 3 kg sobre la sección pulida. Las medidas de dureza se realizan utilizando un probador de dureza programable, KB30S de KB Prüftechnik GmbH calibrado con bloques de prueba HV3 emitidos por Euro Products Calibration Laboratory, Reino Unido. La dureza se mide según ISO EN6507.

Las medidas de HV3 se realizaron de la siguiente manera:

- Escaneo del borde de la muestra.

- Programación del probador de dureza para hacer huellas a distancias específicas desde el borde de la muestra.

- Hacer huellas con carga de 3 kg en todas las coordenadas programadas.

- El ordenador mueve la etapa a cada coordenada con una huella y ejecuta el ajuste automático de la luz, el enfoque automático y mide automáticamente el tamaño de cada huella.

- El usuario inspecciona todas las fotos de las huellas para el enfoque y otros asuntos que alteran el resultado.

Este gradiente de dureza es beneficioso para aumentar la resistencia al desgaste de los insertos de carburo cementado.

El inserto para minería de carburo cementado como se describe anteriormente o más adelante se puede usar para perforación de roca o perforación de petróleo y gas.

El cuerpo de carburo cementado de la presente invención se puede utilizar como insertos para perforación de roca/minería. Los insertos para minería se montan en ambos, cuerpos de broca de un dispositivo de martillo de cabeza (TH) y un dispositivo de perforación de martillo de fondo (DTH) o un dispositivo de perforación rotatoria o un dispositivo de disco de corte. El dispositivo de perforación rotatoria puede ser un dispositivo cortador rotatorio de petróleo y gas. La invención también se refiere a un dispositivo perforador de roca, en particular un dispositivo de martillo de cabeza, o un dispositivo de perforación de martillo fondo, o un dispositivo de perforación rotatoria, o un dispositivo de disco de corte, así como al uso de un inserto de perforación de roca según la invención en dicho dispositivo.

Los siguientes ejemplos son ejemplos ilustrativos, no limitantes.

Ejemplos

Resumen de muestras

La Tabla 1 resume las composiciones de las muestras usadas en los ejemplos, mostrando la relación en masa de Cr/Co y si se ha aplicado una suspensión a la superficie del compacto de carburo cementado o no. Las muestras con un 6% en peso de Co representan una calidad típica de carburo cementado usada para una herramienta de martillo de fondo (DTH), mientras que las muestras con un 10% de Co representan una calidad típica utilizada para herramientas rotatorias.

Tabla 1: Resumen de muestras

Para las muestras A a J en la Tabla 1, los insertos de carburo cementado se produjeron usando un tamaño de grano en polvo WC medido como FSSS antes de la molienda entre 5 y 18 pm. Los polvos de WC y Co se molieron en un molino de bolas en condiciones húmedas, usando etanol, con una adición de 2% en peso de polietilenglicol (PEG 8000) como aglutinante orgánico (agente de prensado) y cuerpos de molienda de carburo cementado. Después de la molienda, la suspensión se secó por pulverización en atmósfera de N²y después se prensó uniaxialmente en insertos de minería verde que tienen un tamaño de aproximadamente 22 mm de diámetro exterior (OD) y aproximadamente 27-28 mm de altura con un peso de aproximadamente 93 g cada uno con una forma curvada esférica ("borde de corte") en la parte superior para las muestras A-F e insertos de minería verde que tienen un tamaño de aproximadamente 21 mm de diámetro exterior (OD) y aproximadamente 26-27 mm de altura con un peso de aproximadamente 60 g cada uno con una forma curvada esférica ("borde de corte") en la parte superior para las muestras G-J.

A las muestras A, C, E, G e I no se les aplicó suspensión. Las muestras B, D, F tenían una suspensión compuesta por 35 % en peso de Cr³C²y 7% en peso de grafito dispersado en agua aplicado a la superficie del inserto para minería de carburo cementado de modo que aproximadamente el 60% de la longitud total del inserto se expuso a la suspensión. Las muestras H y J tenían una suspensión que comprende 25 % en peso de C ³C²y 5% en peso de grafito dispersado en agua aplicado a la superficie del inserto para minería de carburo cementado de modo que aproximadamente 60% de la longitud total del inserto se expuso a la suspensión. La suspensión se aplicó usando una técnica de inmersión, a la superficie curvada superior de los insertos para minería de carburo cementado. Para estos ejemplos, la suspensión se aplicó simétricamente, es decir, se aplicó a la superficie curvada que se extendía una distancia igual hacia abajo por cada uno de los lados del inserto. Todas las muestras se sinterizaron utilizando Sinter-HIP a una presión de Ar de 55 bar a 1410 °C durante 1 hora, el OD de los insertos para minería fue aproximadamente 18 mm para las muestras A-F y aproximadamente 17 mm para las muestras G-J después de la sinterización. Los insertos se trituraron en la parte negativa pero dejando la parte curvada y la parte inferior en una condición sinterizada.

Ejemplo 1- Análisis químico

El gradiente químico de la muestra se investigó mediante análisis de espectroscopia de dispersión de longitud de onda (WDS) usando una microsonda Jeol JXA-8530F. La precisión de las medidas de WDS es mayor cuando >0,2 mm desde la superficie del borde de la muestra. Se realizaron barridos lineales a lo largo de la línea central en secciones transversales de los materiales sinterizados, antes del volteo. Las muestras se prepararon con un cortador de precisión, seguido de triturado y pulido mecánico. La etapa final de la preparación de la muestra se llevó a cabo puliendo con pasta de diamante de 1 pm sobre un paño suave. Se usó un voltaje de aceleración de 15 kV para realizar barridos lineales con un tamaño de etapa de 100 pm y un diámetro de sonda de 100 pm. Se llevaron a cabo tres barridos lineales por muestra y se recoge el promedio. Los perfiles de concentración de cobalto se comparan en la figura 1, los perfiles de concentración de cromo se comparan en la figura 2 y los perfiles de concentración de Cr/Co se comparan en la figura 3 para las muestras B, C, D, E y F (es decir, las muestras con 6 % de Co). Los perfiles de concentración de cobalto se comparan en la figura 4 para las muestras G, H, I y J, los perfiles de concentración de cromo se comparan en la figura 5 para las muestras H, I y J y los perfiles de concentración de Cr/Co se comparan en la figura 6 para las muestras H, I y J (es decir, las muestras con 10% de Co). Las medidas clave de los perfiles químicos se registran en la tabla 2. Las figuras 1 a 6 y la tabla 2 muestran que las muestras inventivas D, F y J tienen perfiles de composición química que caen dentro del alcance de las reivindicaciones. Para muestras en las que no hay gradiente en la relación en masa de % de Cr/% de aglutinante desde al menos una parte de la superficie hasta el volumen, no se registra profundidad del valor de [(R^max+ R^min) / 2].

Tabla 2: Análisis químico de Co y Cr

También se usó WDS para sondear la presencia de precipitados de (Cr, aglutinante, W)C en las muestras B (comparación), D (invención) y F (invención). Se detectó una cantidad significativamente mayor de precipitación de (Cr, aglutinante, W)C en las muestras D y F, tanto cerca de la superficie como en el volumen, en comparación con la muestra B, como se muestra en la Tabla 3. En este ejemplo (Cr, aglutinante, W)C es (Cr, Co, W)C.

Tabla 3: Precipitados de (Cr, aglutinante, W)C

Ejemplo 2 - Perfiles de dureza

Las medidas de dureza se realizaron de acuerdo con la descripción explicada anteriormente para las muestras descritas en la tabla 1. Las Figuras 7-16 muestran gráficos de isodureza para las muestras A, B, C, D, E, F, G, H, I y J respectivamente. La Figura 17 muestra los gráficos de la línea central HV3 para las muestras A, B, C, D, E y F; la figura 18 muestra los gráficos de la línea central HV3 para las muestras G, H, I y J. Las medidas clave se resumen en la tabla 4. En las figuras 17 y 18 y en la tabla 4 se puede ver que la dureza HV3 a una profundidad de 0,3 mm es en un 3% mayor que la dureza HV3 en el volumen del inserto para minería de carburo cementado.

Tabla 4: Perfiles de dureza

Ejemplo 3: ensayo de compresión del inserto

La tenacidad de los insertos de broca de las muestras B, D y F se caracterizó mediante un ensayo de compresión del inserto (IC) antes y después del "volteo de alta energía" (HET). El HET se realizó usando un tambor centrífugo ERBA 120 a 180 RPM durante 40 minutos con 100 kg de medios en forma de bolas de carburo de 13 mm de diámetro.

El método de ensayo IC implica comprimir un inserto de broca entre dos contrasuperficies duras planas y paralelas, a una tasa de desplazamiento constante, hasta que falla el inserto. Se usó una caja de ensayo basado en la norma ISO 4506:2017 (E) "Metales duros - Ensayo de compresión", con yunques de carburo cementado de dureza superior a 2000 HV, mientras que el método de ensayo en sí se adaptó al ensayo de dureza de insertos de perforación de roca. La caja se instaló en un marco para ensayos Instron 5989.

El eje de carga era idéntico al eje de simetría rotacional de los insertos. Las contrasuperficies de la caja cumplieron con el grado de paralelismo exigido en la norma ISO 4506:2017 (E), es decir, una desviación máxima de 0,5 pm/mm.

Los insertos ensayados se cargaron a una velocidad constante de desplazamiento de cruceta igual a 0,6 mm/min hasta el fallo, mientras se registraba la curva carga-desplazamiento. La conformidad del banco de ensayo y de la caja de ensayo se sustrajo de la curva carga-desplazamiento medida antes de la evaluación del ensayo. Se ensayaron tres insertos por tipo de muestra. Las contrasuperficies se inspeccionaron en busca de daños antes de cada ensayo. Se definió que el fallo del inserto ocurre cuando la carga medida cae repentinamente en al menos 1000 N. La inspección posterior de los insertos ensayados confirmó que esto en todos los casos coincidió con la aparición de una grieta macroscópicamente visible. La tenacidad del material se caracterizó mediante la energía de deformación total absorbida hasta la fractura. La energía de fractura se comparó para cada muestra antes y después de HET, que se muestra en la Tabla 5. Se puede ver que el aumento en la energía de fractura después de HET es mucho mayor para las muestras de la invención en comparación con la muestra B.

Tabla 5: Aumento de la energía de fractura después de HET

Ejemplo 4 - Ensayos de desgaste

Se realizaron ensayos de desgaste de las muestras que tenían un diámetro exterior de 10 mm montando la muestra de modo que su punta presionara contra un cilindro de roca de granito giratorio en un torno con la carga establecida por un sensor. En estos ensayos se usó un cilindro de roca de granito rojo, se aplicó una carga de aproximadamente 10 kg y el cilindro de roca se hizo girar a una velocidad de 189 rpm. Se alimentó un flujo constante de agua del grifo cerca de la interfaz entre la muestra y la roca. Para que la muestra se encontrara con la nueva superficie de roca, se aplicó una velocidad de alimentación horizontal de 0,9 mm/s. La distancia de giro para estos ensayos estuvo entre 150 y 180 m. La pérdida de volumen de la muestra se calcula a partir de la pérdida de masa medida y la densidad promedio de la muestra y proporciona una medida cuantitativa del desgaste. Los resultados de los ensayos de desgaste se muestran en la tabla 6.

Tabla 6: Resultados del ensayo de desgaste

La Tabla 6 muestra que las muestras de la invención tienen una menor tasa de desgaste en comparación con las muestras comparativas para el mismo contenido de aglutinante.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método para producir un inserto para minería de carburo cementado que comprende las etapas de:

en el que dicho primer polvo comprende adicionalmente Cr, en una cantidad tal que la relación en masa de Cr/aglutinante es de 0,01-0,3, en el que las concentraciones químicas dentro del inserto para minería de carburo cementado se miden usando espectroscopía de dispersión de longitud de onda (WDS) a lo largo de la línea central de un inserto para minería de carburo cementado de sección transversal;

2. Método según la reivindicación 1, en el que el aglutinante en el primer polvo es Co.

3. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el segundo polvo se aplica a al menos una parte de la superficie del compacto de inserto para minería verde en forma de una suspensión.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la post sinterización del inserto para minería de carburo cementado se trata con un proceso de volteo.

5. Método según la reivindicación 5, en el que el proceso de volteo es un proceso de "volteo de alta energía" (HET), en el que después del volteo se ha endurecido por deformación un inserto para minería de WC-Co de carburo cementado homogéneo de tal manera que AHV3% > 9,72 - 0,00543*HV3^volumen; donde: AHV3% = 100*(HV3^0,3mm-HV3^volumen)/HV3^volumeny la dureza se mide según ISO EN6507.

6. Un inserto para minería de carburo cementado que comprende uno o más componentes de la fase dura y un aglutinante. caracterizado por que:

- la relación en masa de% de Cr/% de aglutinante en el volumen es al menos 0,03; y

7. Inserto para minería de carburo cementado según la reivindicación 7, en el que la relación máxima en masa % de Cr/% de aglutinante (R^max) es al menos 0,010 mayor que la relación en masa % de Cr/% de aglutinante en el volumen (R^volumen) del inserto para minería de carburo cementado.

8. Inserto para minería de carburo cementado según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en el que hay un % de aglutinante mínimo (% de aglutinante^min) a una profundidad, en porcentaje de la altura total del inserto para minería de carburo cementado sinterizado, de 0-8%.

9. Inserto para minería de carburo cementado según la reivindicación 9, en el que la relación de % de aglutinante mínimo (% de aglutinante^min) / % de aglutinante en el volumen (% de aglutinante^volumen) está entre 0,2 y 0,99.

10. Inserto para minería de carburo cementado según cualquiera de las reivindicaciones 7-10, en el que existe un gradiente de dureza desde al menos una parte de la superficie hasta el volumen del carburo cementado, tal que:

- la dureza HV3 a una profundidad de 0,3 mm es 3 % mayor que la dureza HV3 en el volumen del inserto para minería de carburo cementado en donde la dureza se mide según ISO EN6507.