ITTO20000432A1 - Composizione di riporto duro per punte di perforazione del terreno impiegante carburo di tungsteno macrocristallino e carburo fuso in forma - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: <n >Composizione di riporto duro per punte di perforazione del terreno impiegante carburo di tungsteno macrocristallino e carburo fuso in forma sferica "
DESCRIZIONE
Campo della Tecnica
La presente invenzione si riferisce alla composizione di materiali di riporto duri applicati a superfici soggetti a usura per abrasione, allo scopo di aumentare la loro resistenza all'usura. Più particolarmente, la presente invenzione si riferisce a composizioni di riporto dure applicate a una o più superfici di punte da perforazione del terreno del tipo con rulli di taglio.
Antefatto della Invenzione
E' una pratica seguita da lungo tempo nel progetto e nella fabbricazione di punte per la perforazione del terreno quella che consiste nell’applicare materiali di riporto duri resistenti alla usura sulle superfici di t3⁄4Li punte le quali sono soggette a usura per abrasione durante le operazioni di perforazione. Nelle punte per la perforazione del terreno del tipo provvisto di rulli di taglio, queste superfici comprendono i denti di punte del tipo che presenta denti ricavati di fresatura o in acciaio, e il corpo della punta è formato dalle superfici dei rulli di taglio e dalle code delle appendici della punta.
In passato, questi composti di riporto duri genericamente erano formati da carburi degli elementi dei gruppi IVB, VB e VIB in una matrice metallica di ferro, cobalto o nichel e di leghe e miscele di questi. Il riporto duro viene applicato facendo fondere la matrice insieme a una parte della superficie sulla quale il riporto duro viene applicato, impiegando una fiamma ossiacetilenica o di idrogeno atomico. Le particelle dei carburi conferiscono al materiale del riporto duro la durezza e la resistenza alla usura, mentre il metallo della matrice conferisce al riporto duro la tenacità nei riguardi delle rotture. Una composizione impiegata per un riporto duro deve trovare un adatto compromesso tra la resistenza all'usura (durezza) e la tenacità nei riguardi della rottura. Una composizione ;di--un riporto duro che è estremamente dura e resistente alla usura può mancare di tenacità nei riguardi della rottura e quindi produce una rottura e una sfaldatura precoce del riporto duro. Viceversa, un riporto duro che presenta una adatta tenacità nei riguardi della rottura però ha una durezza e resistenza alla usura inadeguate si consuma prematuramente e non è in grado di svolgere la sua funzione.
Molti fattori influenzano l'idoneità di una composizione di un riporto duro per una particolare applicazione. Questi fattori comprendono la composizione chimica e. la struttura fisica dei carburi impiegati nella composizione, la composizione chimica e la microstruttura della matrice metallica o della lega, e i rapporti relativi reciproci tra i materiali dei carburi e rispetto alla matrice metallica o alla lega.
Un tipo avanzato di composizione di riporto duro da impiegare nelle punte per la perforazione del terreno viene descritto nel brevetto normalmente attribuito U.S. No. 3.800.891, 2 Aprile 1974 attribuito a White ed al. Questo brevetto descrive una composizione di riporto duro che è formata da un carburo di tungsteno sinterizzato in una matrice di acciaio legato-.^--H carburo di tungsteno sinterizzato è costituito da grani o particelle di carburo di tungsteno che sono sinterizzati-e tenuti insieme da un legante formato da un materiale non di carburo come il cobalto. Il carburo di tungsteno sinterizzato ha una maggiore tenacità nei riguardi della rottura rispetto al più tradizionale carburo di tungsteno fuso, per cui la composizione di riporto duro che ne risulta ha una buona tenacità nei riguardi della rottura senza compromettere la durezza e la resistenza alla usura.
Il brevetto U.S. No. 4.836.307, 6 Giugno 1989 di Keshavan ed al., descrive una composizione di riporto duro la quale impiega particelle di carburo di tungsteno cementato o sinterizzato, e particelle di dimensioni relativamente ridotte formate da un monocarburo di tungsteno a cristallo singolo chiamato a volte carburo di tungsteno "macrocristallino", in una matrice di acciaio dolce. Questa composizione pretende di avere i vantaggi del carburo di tungsteno sinterizzato che sono descritti nel brevetto U.S. No. 3.800.891 insieme ai vantaggi di un carburo di tungsteno monocristallino il quale ha una maggiore durezza rispetto al carburo di tungsteno cementato o sinterizzato, però è meno fragile del carburo fuso alternativo.
Il brevetto U.S. No. 5.089.182, 18 Febbraio 1992, di Findeisen ed al., descrive un metodo per la produzione di pellet fusi di carburi i quali hanno in genere forma sferica e hanno migliori proprietà meccaniche e metallurgiche rispetto ai pellet dei carburi secondo la tecnica precedente. Questi carburi fusi non sono specificatamente sferici ma sono sufficientemente simmetrici da ridurre al minimo le sollecitazioni residue nei pellet. Inoltre, la forma genericamente sferica di questi pellet elimina la presenza di angoli, spigoli vivi e sporgenze angolari che sono presenti nelle particelle normalmente frantumate, i quali aumentano le sollecitazioni residue nelle particelle e tendono a fondere quando la composizione di riporto duro viene applicata sulla superficie.
Il brevetto U.S. No. 5.663.51, 2 Settembre 1997 di Schader ed al., descrive una composizione di riporto duro che comprende una pluralità di granuli sferici di carburo di tungsteno sinterizzato e una pluralità di granuli sferici fusi di carburo di tungsteno fuso in una forma eutettica di WC/W2C. Durante l'applicazione si verifica una relativa fusione dei granuli sferici di carburo sinterizzati i quali precipitano nella matrice metallica e rivestono i granuli sferici di WC/W2C. Questa composizione fornisce un buon equilibrio tra la durezza e la tenacità alla rottura .
Descrizione dell'Invenzione
In questa invenzione, la composizione di riporto duro comprende una pluralità di particelle macrocristalline di carburo di tungsteno, e una pluralità di pellet di .carburi fusi i quali sono formati da granuli genericamente di forma sferica. I pellet di carburi fusi sono un eutettico del WC/W2C. Ciascuna delle particelle di carburo di tungsteno comprende un cristallo singolo di carburo di monotungsteno WC secondo una forma irregolare. Durante l'applicazione, le particelle di carburo di tungsteno monocristallino fondono leggermente in modo da ridurre i bordi irregolari. Il materiale fuso si scioglie in parte nella matrice durante il raffreddamento e durante il successivo trattamento termico. Il materiale fuso precipita sotto forma di particelle di monocarburo di tungsteno notevolmente più piccole, e si deposita .rrsui pellet fusi eutettici di carburi. La matrice metallica tende ad aderire a questo strato o a questo rivestimento in modo migliore rispetto ai pellet fusi dei carburi che non sono provvisti di rivestimento. Ciò riduce la perdita dei carburi durante il loro impiego. Le dimensioni delle particelle macrocristalline di carburo di tungsteno possono essere relativamente uguali a quelle dei pellet fusi di carburi oppure tali dimensioni possono essere diverse. Inoltre, la .quantità delle particelle macrocristalline di carburo di tungsteno presenti in un rapporto preliminare di applicazione può essere all'incirca la stessa alla quantità in peso dei pellet fusi di carburi oppure può essere diversa. La matrice metallica è tradizionale ed è formata dal gruppo costituito da nichel, ferro, cobalto e leghe e miscele di esso. Le particelle macrocristalline relativamente di ridotte dimensioni e di forma irregolare, combinate con le piccole particelle sferiche permettono di ottenere una elevata densità di carburi nella matrice metallica presente nella composizione.
Breve descrizione dei disegni
La figura 1 è una vista in prospettiva di una punta per la perforazione delT'iterreno del tipo considerato nella presente invenzione.
La figura 2 è una microfotografia di una sezione di una composizione di riporto duro secondo la presente invenzione con un ingrandimento di cinquanta volte.
La figura 3 è una microfotografia di una sezione della composizione di riporto duro secondo la presente invenzione, con un ingrandimento di duecento volte.
La figura 4 è un disegno schematico di una parte della composizione di riporto duro illustrata nelle microfotografie delle figure 2 e 3.
Metodo migliore per l'esecuzione della invenzione Con riferimento alla figura 1, una punta 11 per la perforazione del terreno comprende un corpo che è filettato sul suo sviluppo superiore 15 per venire collegato ad un apparecchio di perforazione. Ciascuna appendice del corpo 13 della punta è provvista di un compensatore di lubrificazione 17, del quale una esecuzione preferita viene descritta nel brevetto riconosciuto U.S. No. 4.727.942, 1 Marzo 1988 di Galle ed al. Nel corpo 13 della punta è ricavato almeno un ugello 19 per scaricare il fluido di perforazione dalla parte interna del meccanismo di perforazione al fìn’è"<‘>di raffreddare e lubrificare la punta 11 portando via il materiale di taglio prodotto durante la perforazione. Tre lame 21, 23 (una delle quali è nascosta alla vista nella prospettiva della figura 1, sono montate con possibilità di rotazione su alberi di supporto che sporgono a sbalzo dal corpo 13 della punta. Una pluralità di elementi di taglio 25 sono ricavati su ciascuna lama 21, 23. Secondo l'esecuzione preferita della presente invenzione, gli elementi di taglio 25 sono costituiti da denti ricavati di fresatura o in acciaio formati nel materiale delle lame 21, 23.
Si può normalmente applicare un riporto duro resistente alla usura sugli elementi di taglio o sui denti 25, in modo da aumentare la loro resistenza nei riguardi della usura. Il riporto duro può anche venire applicato sulla parte di coda (situata al di sopra delle lame 21, 23) di ciascuna appendice che forma il corpo 13 della punta. Il riporto duro può anche venire applicato sulle superfici più esterne delle lame 21, 23. Queste sono le superfici principali della punta 11 che sono soggette a usura per abrasione durante l’operazione di perforazione. Il riporto duro si può genericamente applicare su quaisiasi superficie di una punta 11 che sia soggetta a usura per abrasione.
Con riferimento alle figure 2-4, una composizione 27 con riporto duro migliorata che è particolarmente adatta per venire applicata a punte 11 per la perforazione del terreno comprende una pluralità di pellet 29 fusi di carburi di forma sferica. Il termine di "pellet" viene impiegato con riferimento a particelle di carburi che hanno una forma genericamente sferica. I pellet 29 non sono delle vere sfere ma sono privi degli angoli degli spigoli vivi e delle sporgenze angolari che normalmente si riscontrano nei grani o in altre particelle che vengono frantumate e non hanno forma sferica. Si ritiene che è pellet fusi sferici 29 abbiano un livello minore di sollecitazioni residue e che in genere non presentino irregolarità tali da fondere durante l'applicazione. I pellet 29 fusi sono un eutettico di WC e W2C. I pellet fusi 29 sono le particelle di colore grigio scuro che appaiono nelle microfotografie.
Le figure 2-4 illustrano una composizione 27 di riporto duro dopo l'applicazione e il trattamento termico. Si noti che i pellet fusi 29 hanno uno strato esterno 31 di:':eolore grigio più chiaro. Lo strato esterno 31 è un rivestimento di WC sul nucleo di WC e W2C. Lo strato esterno 31 non esiste nella forma precedente alla applicazione. Esso si forma invece durante l'applicazione nel corso del processo di fusione e di nuova solidificazione .
I secondi granuli contenuti nella composizione 27 sono formati da particelle macrocristalline 33 di carburi di tungsteno, le quali sono particelle di dimensioni relativamente ridotte di carburi di tungsteno monocristallini. Le particelle macrocristalline 33 (figura 4) sono illustrate nelle figure 2 e 3 con le particelle di forma irregolare e di colore grigio chiaro. Le particelle macrocristalline 33 presentano irregolarità esterne le quali, in una forma precedente alla applicazione, sono maggiormente a spigolo vivo e sono più accentuate rispetto a quelle illustrate nelle figure 2-4. Durante l'applicazione, gli spigoli più acuti fondono facilmente e diventano più arrotondati. Sia i pellet fusi 29 dei carburi che le particelle macrocristalline 33 sono basati di preferenza su composti di tungsteno e di carbonio. Tuttavia, è anche adatto l’impiego di carburi di cromo, molibdeno, m-i-obio, tantalio, titanio e vanadio e leghe di questi comprese le leghe con il tungsteno.
Il resto della composizione 27 è costituito da una matrice metallica 35 la quale è formata di preferenza da una lega di ferro del tipo di un acciaio a basso tenore di carbonio legato con niobio. Tuttavia si possono scegliere altre matrici metalliche dal gruppo formato da nichel, ferro, cobalto e leghe e miscele di essi. Durante il processo di applicazione, la leggera fusione delle particelle macrocristalline 33 produce la precipitazione del carburo di tungsteno nella matrice metallica fusa 35. La precipitazione del carburo di tungsteno forma uno strato 31 sui pellet fusi 29. Si ritiene che la matrice metallica 35 aderisca meglio al WC dell'eutettico WC/W2C, e quindi la matrice metallica 35 aderisce meglio ai pellet fusi 29 a causa dello strato 31 rispetto al caso in cui non esistesse lo strato 31.
I pellet fusi 29 e le particelle macrocristalline 33 sono entrambi disponibili in commercio. Un produttore delle particelle macrocristalline 33 è la Kennametals, Ine. Fallon, Nevada, Un produttore per i pellet fusi 29 è la Technogenia, St. Jorioz, Francia:-:-Le dimensioni in peso delle particelle macrocristalline 33 di carburo di tungsteno e dei pellet fusi 29 di carburo di tungsteno possono essere variabili. Nella esecuzione illustrata, le dimensioni sono all'incirca le stesse ed entrambe rientrano nell'intervallo di ASTM 60-80 mesh oppure 40-80 mesh. Tuttavia, sarebbe anche adatto un intervallo tra 16 e 129 mesh per le particelle fuse 29 di carburo di tungsteno, e tra 40 e 200 per le particelle macrocristalline 33 di carburo di tungsteno. I pellet fusi 29 potrebbero avere dimensioni maggiori o minori rispetto alle particelle 33. La quantità in peso delle particelle macrocristalline 33 di carburo di tungsteno e dei pellet fusi 29 di carburo di tungsteno può essere compresa in un intervallo tra 50 e 85% in peso secondo un rapporto precedente alla applicazione dell'intera composizione, mentre il resto è formato da una matrice metallica 35. La forma irregolare delle particelle 33 combinata con la forma sferica dei pellet fusi 29 permette di ottenere una elevata densità dei carburi nella matrice metallica. La quantità del carburo di tungsteno macrocristallino 33 rispetto al carburo di tungsteno fuso 29 può essere diversa secondo un rapporto-precedente alla applicazione. Nelle microfotografie delle figure 2 e 3, sono uguali le quantità in peso nella condizione precedente alla applicazione.
Nella forma precedente alla applicazione, la composizione di riporto duro 27 può venire fornita sotto forma di un'asta tubolare di una matrice metallica 35 contenente un materiale di riempimento in granuli, i quali sono formati da particelle 33 macrocristalline di carburo di tungsteno e da pellet fusi 29 di carburo di tungsteno. Inoltre, è contenuto circa tra 2 e 4% in peso di silicomanganese, tra circa 0,4 e 0,6% in peso di niobio e circa 0,36% in peso di una legante organico fluido, a guisa di un elemento in lega e di elemento disossidante e legante rispettivamente. In un esempio, l'asta tubolare che contiene i granuli ha una sezione normale di forma circolare, è formata da un acciaio a basso contenuto di carbonio, e ha un diametro esterno di circa _ pollici, uno spessore di parete di circa 0,013 pollici e una lunghezza compresa tra circa 28 e 30 pollici.
La composizione 27 di riporto duro viene applicata mediante fusione realizzata con una fiamma ossidrica su determinate zòne di una punta 11, ad esempio .sui denti 25, sulle superfici dei vani tra le lame 21, 23 e sulla coda di ciascuna appendice dèlia punta. La fiamma è preferibilmente ossiacetilenica. Successivamente, la parte rivestita con riporto duro della punta 11 viene trattata termicamente e sottoposta a cementazione. Come è stato citato in precedenza, il processo di applicazione produce una relativa fusione delle particelle macrocristalline 33 di carburo di tungsteno. Il carburo di tungsteno viene precipitato nella matrice metallica 35 e ricopre i pellet fusi 29 di carburo di tungsteno, formando lo strato 31 come è illustrato dalla linea di confine di colore grigio chiaro che circonda i pellet fusi di colore grigio scuro nella figura 3. Durante il processo di fusione, i bordi irregolari delle particelle macrocristalline si arrotondano per una certa misura.
La composizione che ne risulta presenta notevoli vantaggi. Il carburo fuso di forma sferica è più stabile termicamente rispetto al carburo di tungsteno macrocristallino, e di conseguenza non si scioglie così facilmente nella matrice metallica come il carburo di tungsteno macrocristallino. Il rivestimento di WC prodotto con le particelle macrocristalline produce una migliore adesione del carburo sferico fuso nella matrice metallica. Le particelle macrocristalline di carburo di tungsteno sono molto resistenti alla usura quando vengono applicate ad attrezzature che strisciano lungo la parete del foro di perforazione. Il carburo fuso di forma sferica è praticamente più duro e più resistente alla usura, però è più fragile rispetto al carburo di tungsteno macrocristallino, tuttavia le forme sferiche tendono a ridurre le rotture che diversamente si verificherebbero nel caso di prodotti fusi di forma irregolare.
Anche se l'invenzione è stata illustrata in una sola delle sue forme, appare evidente per una persona esperta in questo settore che essa non è così limitata, bensì può subire diverse modifiche senza allontanarsi dallo scopo della invenzione. Ad esempio, si potrebbero eliminare le particelle macrocristalline, per cui gli unici granuli esistenti nel riporto duro applicato sono formati dai pellet fusi, a condizione che durante il processo di applicazione sia disponibile una sorgente di alimentazione per depositare uno strato di rivestimento di WC sui pellet fusi di WC/W2C.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. - Composizione di riporto duro migliorata e resistente alla usura, comprendente i seguenti materiali : una determinata quantità di particelle di carburi macrocristalline; una determinata quantità di pellet fusi di carburi; e una matrice metallica. 2. - Composizione di riporto duro secondo la rivendicazione 1, nella quale la matrice metallica comprende da 15 a 50% in peso della composizione di riporto duro in una condizione precedente alla applicazione . 3. - Composizione di riporto duro secondo la rivendicazione 1, nella quale i pellet fusi di carburi e le particelle macrocristalline di carburi vengono scelti da uno dei gruppi di carburi formati da carburi di cromo, molibdeno, niobio, tantalio, titanio, tungsteno, e vanadio e da leghe e miscele di essi. 4. - Composizione di riporto duro secondo la rivendicazione 1, nella quale le particelle macrocristalline di carburi hanno dimensioni variabili tra circa 40 mesh e 200 mesh, e i pellet di carburi fusi hanno dimensioni variabili tra circa 16 mesh e 120 mesh. 5. - Composizione di ripòrto--duro secondo la rivendicazione 1, nella quale i pellet di carburi fusi e le particelle di carburi macrocristalline hanno dimensioni variabili tra circa 40 mesh e 80 mesh. 6. - Composizione di riporto duro secondo la rivendicazione 1, nella quale la matrice metallica viene scelta dal gruppo costituito da nichel, ferro, cobalto e da leghe e miscele di essi. 7. - Composizione di riporto duro migliorata per una punta da perforazione del terreno, che comprende i seguenti materiali: una determinata quantità di granuli di un materiale resistente alla usura, i quali granuli comprendono praticamente soltanto pellet fusi di WC/W2C in forma eutettica; una matrice in lega ferrosa; e una sorgente di alimentazione di WC che è in grado di precipitare nella matrice e di formare uno strato di WC sui pellet WC/W2C durante l'applicazione su di una punta per la perforazione del terreno. 8. - Composizione di riporto duro secondo la rivendicazione 7, nella quale la matrice comprende tra 15 e 50% in peso della composizione di riporto duro nella condizione precedente;-ai-la applicazione. 9. - Composizione di riporto duro secondo la rivendicazione 7, nella quale la sorgente di alimentazione di WC comprende una determinata quantità di particelle macrocristalline di WC. 10. - Composizione di riporto duro secondo la rivendicazione 9, nella quale le particelle di carburi macrocristalline hanno dimensioni variabili da circa 40 mesh e 200 mesh, e i pellet di WC/W2C hanno dimensioni variabili tra circa 16 mesh e 120 mesh. 11. - Punta per la perforazione del terreno provvista di un riporto duro su determinate zone, il quale riporto duro comprende: una determinata quantità di particelle macrocristalline di WC e di forma irregolare; una determinata quantità di pellet di carburi fusi di WC/W2C eutettici, provvisti di un rivestimento di WC; e la parte rimanente che è costituita da una matrice metallica. 12. - Punta secondo la rivendicazione 11, nella quale la matrice metallica forma tra 15 e 50% in peso della composizione di riporto duro in una condizione precedente alla applicazione. 13. - Punta secondo la rivendicazione 11, nella quale le particelle macrocristalline di WC hanno dimensioni variabili tra circa 40 mesh e 200 mesh, e i pellet di carburi fusi eutettici di WC/W2C hanno dimensioni variabili tra circa 16 mesh e 120 mesh. 14. - Punta secondo la rivendicazione 11, nella quale le particelle di carburi fusi eutettici di WC/W2C e le particelle di WC macrocristalline hanno entrambe dimensioni variabili tra circa 40 mesh e 80 mesh. 15. - Punta secondo la rivendicazione 11, nella quale la matrice metallica viene scelta dal gruppo formato da nichel, ferro, cobalto e da leghe e miscele di essi.
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