ITTO20000623A1

ITTO20000623A1 - Substrato di carburo di due qualita' diverse per elementi taglienti di punte per la perforazione del terreno, punte da perforazione dotate di tali elementi e procedimenti per la fabbricazione di tale substrato

Info

Publication number: ITTO20000623A1
Application number: IT000623A
Authority: IT
Inventors: Roger Lays; Mohammad Swadi
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2001-12-26
Also published as: BE1014239A5; IT1320214B1; GB2351987B; ITTO20000623A0; US6216805B1; GB2351987A; GB0013320D0

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: " Substrato di carburo di due qualità diverse per elementi taglienti di punte per la perforazione del terreno, punte da perforazione dotate di tali elementi e procedimenti per la fabbricazione di tale substrato ”

DESCRIZIONE

CAMPO DELLA TECNICA

La. presente invenzione si riferisce a substrati per elementi di taglio da impiegare nelle punte da trivellazione per la perforazione del terreno, 3⁄4 elementi di taglio che comprendono tali substrati, e a punte da trivellazione provviste di essi. In particolare, la presente invenzione si riferisce a substrati per elementi di taglio resistenti alla erosione e alla abrasione i quali sono anche in grado di assorbire gli urti che si possono incontrare durante la trivellazione. Più in particolare, la presente invenzione si riferisce a elementi di taglio che comprendono substrati provvisti di una zona resistente alla erosione e alla abrasione situata in posizione adiacente alla parte periferica di una piastra di taglio abbinata super-abrasiva e con una parte interna più duttile che assorbe gli urti.

ANTEFATTO

I substrati per gli elementi di taglio sono stati tradizionalmente utilizzati come un mezzo per fissare elementi di taglio alle superfici di punte rotanti per trivellazione in posizioni e orientazioni adatte. I tradizionali substrati degli elementi di taglio comprendono normalmente una base in carburo cementato e una piastra di taglio in materiale super-abrasivo avente la forma voluta, fissata alla base con una orientazione voluta. Normalmente, le basi in carburo cementate di questi substrati per elementi di taglio comprendono un unico tipo di carburo cementato. Quando la base di un tradizionale substrato di un elemento di taglio è costituita da una matrice di carburo di tungsteno e da un legante al cobalto, la resistenza alla erosione, la resistenza alla abrasione e la tenacità o la duttilità dell'elemento di taglio dipendono dalle dimensioni del grano del carburo di tungsteno e dalle relative proporzioni del carburo di tungsteno e del cobalto. Come è ben noto nella tecnica, le strutture con carburi cementati che comprendono carburi aventi un grano di dimensioni più ridotte, resistono meglio alla erosione e alla abrasione rispetto alle strutture con carburi cementati che hanno grani di carburo di maggiori dimensioni. Inoltre, i carburi cementati che comprendono maggiori proporzioni di un materiale legante come il cobalto sono più tenaci, più duttili e meno resistenti agli urti, e sono meno resistenti alla erosione e alla abrasione rispetto ai carburi cementati che comprendono minori quantità di legante.

Di conseguenza, i tradizionali substrati degli' elementi di taglio che comprendono normalmente solamente un tipo di carburo cementato possono mancare -di duttilità, tenacità, e resistenza all'urto o resistenza alla erosione e resistenza alla abrasione. I substrati degli elementi di taglio con buona resistenza alla erosione e con buona resistenza alla abrasione ma con una duttilità relativamente bassa resistono agli eccessi di usura provocati posteriormente alle piastre di taglio in materiale super-abrasivo fissate ad essi e di conseguenza impediscono la rottura e il distacco delle piastre di taglio in materiale super-abrasivo sostenute in questo modo, aumentando la durata di impiego di taglio delle piastre di taglio in materiale super-abrasivo. I substrati degli elementi di taglio resistenti alla erosione e alla abrasione sono tuttavia relativamente più soggetti a spezzarsi o a frantumarsi per effetto degli urti che si possono verificare durante la trivellazione a confronto con i substrati più duttili per gli elementi di taglio. Più in particolare, quando si impiegano per un substrato dell'elemento di taglio materiali resistenti all'erosione e alla abrasione che normalmente hanno una bassa resistenza agli urti, quando una piastra di taglio in materiale superabrasivi viene sottoposta ad un urto che produce una rottura anche il substrato adiacente può subire una rottura. Quindi, il materiale super-abrasivo delle piastre di taglio che sono fissate ai substrati degli elementi di taglio resistenti alla erogazione e alla abrasione, insieme agli stessi substrati, può venire danneggiato o si può staccare prima della fine della durata utile di impiego delle piastre di taglio o degli interi elementi di taglio.

Mentre i substrati degli elementi di taglio più duttili sono in grado di resistere meglio agli urti che si possono verificare durante una trivellazione, la resistenza relativamente bassa alla erosione e alla abrasione dei substrati degli elementi di taglio più duttile, può provocarne una usura rapida non voluta in particolare sulle parti periferiche di essere più esposte, che si trovano in posizione adiacente a quella delle piastre di taglio in materiale super-abrasivo disposte su di esse. Quindi, le piastre di taglio in materiale super-abrasivo che sono fissate su questi substrato più duttili degli elementi di taglio possono perdere il supporto in vicinanza delle loro posizioni di contatto con una formazione rocciosa che viene trivellata, e di conseguenza si possono spezzare durante il taglio. Di conseguenza possono venire ridotte le durate utili di impiego delle piastre di taglio in materiale super-abrasivo che vengono disposte su substrati più duttili per gli elementi di taglio.

Il brevetto U.S. 4.359.335 (chiamato nel seguito "il brevetto '335") che è stato pubblicato a nome di Lloyd L. Garner il 16 novembre 1982, descrive un inserto per una punta da trivellazione per rocce che comprende una base in carburo cementato avente una prima composizione che ha un pattino di usura più resistente alla erosione e alla abrasione ed è fissato ad essa e agisce come una superficie di taglio. Di conseguenza, il pattino di usura dell'inserto secondo il brevetto '335 resiste alla erosione e alla abrasione e di conseguenza è utile per venire in contatto con il materiale di una formazione rocciosa in un foro praticato mediante una trivella e per impedire che si formi un foro di dimensioni troppo ridotte. Il pattino di usura, tuttavia, non comprende un materiale super-abrasivo. Nemmeno la struttura del brevetto '335 è adatta per venire impiegata come elemento di taglio per le punte rotanti da trivellazione che si possono impiegare per trivellare formazioni rocciose abrasive e molto dure.

Il brevetto U.S. 5.431.239 (chiamato nel seguito "il brevetto '239") che è stato pubblicato a nome di Gordon A. Tibbitts ed al. l'il giugno 1995, descrive un substrato per un elemento di taglio che comprende un nucleo interno formato da un materiale più resistente alla rottura il quale è circondato da uno strato esterno formato da un materiale resistente alla abrasione. Il nucleo interno del substrato si sviluppa praticamente nel senso della sua lunghezza. I materiali del nucleo interno e dello strato esterno del substrato hanno coefficienti di dilatazione termica differenti. In conformità con il brevetto '239, quando si raffreddano i materiali . a partire da una temperatura elevata, il materiale dello strato esterno si contrae o si restringe più rapidamente rispetto al materiale del nucleo interno. Quindi, un accoppiamento forzato garantisce il fissaggio dello strato esterno al nucleo interno. Esistono tuttavia sollecitazioni residue non volute nel substrato dell'elemento di taglio secondo il brevetto '239, a causa dell'impiego di materiali che hanno coefficienti di dilatazione termica diversi. '

Substrati analoghi di elementi di taglio sono descritti nel brevetto U.S. 5.492.188 (chiamato nel seguito "il brevetto "188"), che è stato pubblicato a nome di Redd H. Smith il 20 febbraio 1996. Una esecuzione di un substrato per un elemento di taglio descritto nel brevetto '188 comprende tre strutture che possono essere allineate concentricamente. La struttura centrale ha la forma di un anello ed è prodotta da un materiale tenace e duttile come un metallo o un substrato metallico. La parte più interna delle tre strutture è prodotta con un materiale resistente alla erosione e alla abrasione del tipo di un carburo cementato/ e si sviluppa praticamente per tutta la lunghezza del substrato. Nella esecuzione di questa forma del substrato le tre strutture vengono prodotte indipendentemente e poi vengono allineate e montate l'una con l'altra. Queste strutture possono poi essere ’ fissate l'una all'altra mediante procedimenti ad alta pressione e con alta temperatura. A volte, tuttavia, non è auspicabile impiegare un metodo di montaggio che richieda l'allineamento delle tre strutture, per il fatto che è necessario un ulteriore tempo di fabbricazione e gli elementi di taglio, di conseguenza, non possono venire fabbricati in modo molto efficiente.

In base a informazioni ricevute, si ritiene esista un altro elemento di taglio comprendente un substrato provvisto di un involucro esterno tenace, duttile e resistente agli urti e con un nucleo interno resistente alla erosione e alla abrasione.

Questa configurazione, tuttavia, è per certi versi non auspicabile, per il fatto che l'involucro esterno può subire una usura durante l'impiego e, di conseguenza, può mancare il suo adeguato sostegno per la piastra di taglio disposta su di esso, mentre il nucleo interno fornisce una scarsa resistenza utile nei riguardi degli urti.

Di conseguenza, è necessario realizzare un substrato per un elemento di taglio che sia provvisto di una zona periferica resistente alla erosione e alla abrasione, in modo da formare un miglior sostegno di spigoli per una piastra di taglio in materiale super-abrasivo disposta sull'elemento di taglio, e con una parte interna più duttile ottimizzata in modo da assorbire le sollecitazioni residue applicate alla piastra di taglio in materiale super-abrasivo e quindi al fine di sfruttare al massimo la durata utile di impiego del substrato per l'elemento di taglio e della piastra di taglio in materiale super-abrasivo disposta su di esso. E' anche necessario che un tale substrato per un elemento di taglio possa venire prodotto in modo efficace. E' anche necessario ricavare substrati per elementi di taglio che siano in grado di resistere meglio alle variazioni di temperatura, e per elementi di taglio che si possano saldare facilmente al corpo di una punta.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un substrato per un elemento di taglio da utilizzare con una punta da trivellazione impiegata per perforare un terreno. L'elemento di taglio comprende una base che viene anche chiamata in questo caso involucro esterno, e che è formata in un materiale che resiste alla erosione e alla abrasione. La base ha una forma complementare ad una corrispondente cavità di una punta da trivellazione con la quale deve venire montato l'elemento di taglio. Di conseguenza, la superficie esterna della base può avere a titolo di esempio una forma praticamente cilindrica. Una cavità con estremità chiusa è disposta ' praticamente in posizione centrale all'interno della base ed è aperta verso una estremità di essa. La cavità ha una forma tale da alloggiare un nucleo di forma complementare dell'elemento di taglio.

Il nucleo del substrato per l'elemento di taglio secondo la presente invenzione comprende un materiale più duttile della base. Il materiale della base di preferenza resiste meglio alla erosione e alla abrasione rispetto al materiale del nucleo. Quando viene montato insieme alla base, il nucleo di preferenza si accoppia praticamente all'interno della base. Una estremità del nucleo esposta che viene anche chiamata in questo caso estremità di taglio del nucleo, può coincidere con una estremità adiacente corrispondente della base, la quale viene anch'essa chiamata in questo caso estremità di taglio della base, oppure può essere rientrata rispetto alla corrispondente estremità adiacente della base.

Una estremità di taglio dell'elemento di taglio, che comprende l'estremità di taglio del nucleo e la corrispondente estremità adiacente di taglio della base e che può circondare almeno una parte della superficie periferica del nucleo, ha una forma che comprende una piastra di taglio in materiale super-abrasivo fissata ad essa. La superficie periferica della base intorno al nucleo conferisce una rigidezza che impedisce il piegamento della piastra di taglio in materiale super-abrasivo. Sul substrato si può disporre un qualsiasi tipo adatto di piastra di taglio in materiale super-abrasivo nota nella tecnica come, a solo titolo di esempio, una struttura compatta in diamante policristallino {"PDC"), una struttura termicamente stabile in PDC ("TSP") oppure una struttura al nitruro di boro ("BN").

Una prima esecuzione di un procedimento di produzione del substrato per un elemento di taglio riguarda la formatura preliminare della base e del nucleo secondo le forme volute praticamente complementari, il montaggio della base preformata con il nucleo e la sinterizzazione o la compressione isostatica ad alta temperatura ("HIP") dell'insieme in modo da formare un substrato finito per un elemento di taglio.

Un'altra esecuzione del procedimento di fabbricazione del substrato per un elemento di taglio comprende la produzione separata della base e del nucleo mediante procedimenti noti, del tipo di una 'sinterizzazione o di una compressione isostatica ad alta temperatura. La base e il nucleo possono allora venire montati e fissati l'uno all'altro mediante procedimenti noti, come ad esempio con mezzi meccanici, mediante saldatura o con l'applicazione di una pressione e/o di una temperatura.

In un'altra esecuzione del metodo di fabbricazione di un substrato per un elemento di taglio se.condo la presente invenzione, l'elemento di taglio può venire fabbricato disponendo una miscela formata dal materiale di una matrice e da un materiale legante in uno stampo, in modo da ricavare una base resistente alla erosione e alla abrasione, con sinterizzazione o compressione isostatica ad alta temperatura della miscela mediante procedimenti noti. La base può poi essere disposta in un altro stampo all'interno del quale viene anche disposta un'altra miscela formata da un materiale di una matrice e da un materiale legante, la quale viene anch'essa disposta in modo da riempire praticamente la cavità della base. La seconda miscela formata dal materiale della matrice e dal legante può venire sinterizzata oppure può stampata isostaticamente ad alta temperatura in modo da formare il nucleo del substrato dell'elemento di taglio e in modo da unire praticamente e contemporaneamente in modo integrale la base e il nucleo l'una all'altro.

Un'altra esecuzione del metodo di fabbricazione secondo la presente invenzione riguarda una prefabbricazione della base formata da un primo carburo cementato e di un nucleo di forma complementare formata da un secondo carburo cementato, mediante procedimenti noti. Di preferenza la base e il nucleo vengono prodotti tramite procedimenti del tipo della sinterizzazione o HIP per cui la forma della superficie di taglio del nucleo viene praticamente determinata prima che una piastra di materiale super-abrasivo sia formata su di esso. La base e il nucleo possono venire montati e disposti all'interno di una pressa per diamante con cristalli di diamante o cristalli di un altro materiale super-abrasivo situati in posizione adiacente alla superficie esposta del nucleo. La base, il nucleo e i cristalli superabrasivi possono poi venire stampati tutti insieme con la pressa per diamante in modo noto nella tecnica, e in condizioni praticamente contemporanee alla fabbricazione della piastra di taglio a partire dai cristalli super-abrasivi.

Le relative percentuali delle miscele formate dal materiale della matrice e dal materiale legante impiegato in ciascuno dei metodi di fabbricazione precedenti sono di preferenza adatte per conferire alla base e al nucleo del substrato per l'elemento di taglio le proprietà volute (ossia, la resistenza alla erosione e alla abrasione per la base e la duttilità per il nucleo). Le relative percentuali del materiale per la matrice e del materiale legante possono venire agevolmente determinate da una persona esperta in questo settore.

Il substrato per l'elemento di taglio secondo la presente invenzione migliora il supporto del bordo di taglio della piastra di taglio in materiale super-abrasivo fissata ad esso, aumentando la rigidezza del substrato che sostiene la piastra di taglio in materiale super-abrasivo. Inoltre, l'impiego di tipi di carburi multipli utilizza le sollecitazioni residue sviluppate attraverso l'elemento di taglio. Ad esempio, la diversa dilatazione termica esistente tra i due differenti tipi di carburi può venire sfruttata per distribuire in modo più uniforme le sollecitazioni residue attraverso l'elemento di taglio, in modo da ridurre al minimo la probabilità che la piastra di taglio o l'elemento di taglio si spezzino a seguito di un urto.

In alternativa, la sollecitazioni residue possono venire concentrate in una o più posizioni volute modificando le durezze relative dei materiali, le dimensioni della base e del nucleo, le forme della base e del nucleo e così via.

Inoltre, dal momento che il substrato per l'elemento di taglio secondo la presente invenzione comprende una base e un nucleo formato con due tipi rispettivamente diversi di carburi cementati, tutte le rotture dovute a urti della piastra di taglio e del substrato adiacente possono venire determinate sulla interfaccia compresa tra la base e il nucleo. Quindi, la configurazione del substrato secondo la presente invenzione può ridurre la probabilità che una piastra di taglio in materiale super-abrasivo si possa spezzare e staccare e quindi è possibile aumentare la durata utile di impiego dell'elemento di taglio e della relativa piastra di taglio in materiale super-abrasivo.

La saldabilità del substrato al corpo di una punta viene anche favorita quando viene impiegato il substrato per l'elemento di taglio secondo la presente invenzione.

Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diventeranno evidenti per una persona normalmente esperta in questo settore sulla base della descrizione che segue, dei disegni allegati e delle rivendicazioni.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La figura 1 è una vista in prospettiva di una prima esecuzione del substrato per un elemento di taglio secondo la presente invenzione, la quale comprende una piastra di taglio in materiale superabrasivo fissata ad esso;

la figura 2 è una sezione normale presa lungo la linea 2-2 della figura 1;

la figura 3 è una vista in prospettiva di una seconda esecuzione del substrato dell'elemento di taglio secondo la presente invenzione, con una piastra di taglio in materiale super-abrasivo fissata ad esso;

la figura 4 è una sezione normale lungo la linea 4-4 della figura 3;

la figura 5 è una vista in prospettiva di una modifica della esecuzione della figura 3, nella quale le forme della cavità e del nucleo del substrato dell'elemento di taglio sono diverse rispetto alle forme della cavità e del nucleo del substrato dell'elemento di taglio secondo la figura 3;

la figura 6 è una sezione normale secondo la linea 6-6 della figura 5;

la figura 7 è una vista parziale in prospettiva di una punta da trivellazione di tipo rotante per la perforazione del terreno, con la quale può venire unito l'elemento di taglio della presente invenzione;

la figura 8 è una vista in prospettiva di una terza esecuzione del substrato per l'elemento di taglio secondo la presente invenzione;

la figura 9 è una sezione normale presa lungo la linea 9-9 della figura 8;

la figura 10 è una vista in prospettiva di una variante del substrato per l'elemento di taglio secondo la figura 8, nella quale forme della cavità e del nucleo del substrato dell'elemento di taglio sono diverse dalle forme della cavità e del nucleo del substrato dell'elemento di taglio secondo la figura 8;

la figura 11 è una sezione normale presa lungo la linea 11-11 della figura 10;

la figura 12 è una vista in prospettiva che illustra 'una prima esecuzione di un profilo di interfaccia tra un substrato di un elemento di taglio e una piastra di taglio in materiale superabrasivo fissata ad esso;

la figura 13 è una sezione normale presa lungo la linea 13-13 della figura 12;

la figura 14 è una sezione normale di una seconda esecuzione di un substrato per un elemento di taglio provvisto di una estremità di taglio profilata; e

la figura 15 è una vista in pianta superiore del substrato dell'elemento di taglio secondo la figura 14.

METODI MIGLIORE PER L'ESECUZIONE DELLA INVENZIONE Con riferimento alla figura 1, viene illustrata una lama di taglio fissa o una punta 10 da trivellazione rotante per la perforazione del terreno secondo una forma tipica. La punta da trivellazione 10 della figura 7 è illustrata con un orientamento invertito rispetto al suo orientamento che assume quando viene impiegata nelle operazioni di trivellazione allo scopo di illustrare con chiarezza le caratteristiche sulla superficie 16 della medesima. La punta da trivellazione 10 comprende un corpo 14 della punta con un gambo 12 che si sviluppa a partire da una estremità di esso e può venire fissato a un impianto di trivellazione di tipo noto e impiegato nella tecnica. Come è illustrato il corpo 14 della punta è formato da sei lame 18 che si sviluppano praticamente in senso radiale. Le lame 18 sono separate 1'una dall'altra mediante canali 20 per un fluido i quali si sviluppano in senso praticamente longitudinale passando per la superficie 16 del corpo 14 della punta.

La punta da trivellazione 10 comprende inoltre una zona 22 che è situata tra la superficie 16 e il gambo 12. I pattini 24 che si sviluppano praticamente in senso longitudinale lungo la superficie della zona 22 possono venire disposti in modo da essere praticamente continui con le loro lame corrispondenti 18. Quindi, i canali 20 per il fluido si possono anch'essi sviluppare praticamente in senso longitudinale lungo la zona 22, tra le lame adiacenti 18.

Le lame 18 possono comprendere cavità o tasche 26 all’interno delle quali possono venire disposti e orientati i substrati 40 per gli elementi di taglio, i quali vengono qui anche chiamati semplicemente substrati, in modo tale da tagliare il terreno o la roccia nel modo voluto. I substrati di tipo tradizionale comprendono normalmente una matrice formata da carburi resistenti alla erosione e alla abrasione, disposta entro un materiale legante. Per la matrice con i carburi si impiega normalmente il carburo di tungsteno, mentre si impiega normalmente il cobalto per il materiale legante. Una piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo, avente una struttura formata ad esempio da PDC, TSP o con nitruro di boro, è normalmente orientata e fissata al substrato 40 in modo da avere il voluto angolo di posizione o di taglio quando il substrato 40 viene orientato e disposto sulla punta da trivellazione 10.

La figura 1 illustra una prima esecuzione di un substrato 40 secondo la presente invenzione. Il substrato 40 comprende una base 42 con una cavità 44 situata in essa. La cavità 44 si apre verso una estremità di taglio 46 della base 42. Il substrato 40 dell’elemento di taglio comprende inoltre un nucleo 48 avente una forma complementare e che può venire disposto all'interno della cavità 44 della base 42. Come è illustrato, quando il nucleo 48 è disposto all'interno della cavità 44 della base 42, l'estremità di taglio 46 della base 42 e l’estremità di taglio 50 del nucleo 48 sono praticamente coincidenti. Una piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo del tipo noto nella tecnica, come una piastra di taglio in materiale super-abrasivo in PDC, TSP o in nitruro di boro, può essere formata sulla estremità di taglio 50 del nucleo 48 mediante procedimenti noti come la compressione ad alta pressione e ad alta temperatura delle particelle di materiale superabrasivo al di sopra di essa e in presenza di un adatto catalizzatore.

La base 42 viene di preferenza fabbricata in un materiale resistente alla erosione e alla abrasione. Di preferenza, la base 42 resiste meglio alla erosione e alla abrasione rispetto al nucleo 48. Per esempio la base 42 può essere formata da una matrice di carburo (ad esempio carburo di tungsteno) e da un materiale legante (ad esempio il cobalto). Come è ben noto nella tecnica, le strutture con carburi cementati che hanno maggiori percentuali di carburi rispetto a quelli del materiale legante resistono normalmente di più alla erosione e alla abrasione rispetto alle strutture dei carburi che hanno minori percentuali di carburi rispetto a quelle del materiale legante. Quindi, poiché viene impiegata una quantità relativamente maggiore di legante per produrre la base 42, si riducono la resistenza alla erosione e alla abrasione della base 42. Le strutture con carburi cementati che hanno grani più ridotti di carburi resistono normalmente di più alla erosione e alla abrasione, ma sono meno tenaci, duttili e resistenti agli urti rispetto alle strutture in carburi cementati che sono provviste di grani di carburi più grandi. Di conseguenza, una persona esperta in questo settore è agevolmente in grado di determinare le relative percentuali del materiale della matrice e del materiale legante oppure le dimensioni adatte del grano, del materiale della matrice (ad esempio da 1 pm a 10 pm) al fine di conferire alla base 42 la resistenza voluta alla erosione e alla abrasione.

Il nucleo 48 che, di preferenza, è più duttile della base 42, può anch'esso essere prodotto da un materiale che comprende una matrice formata da un materiale resistente alla erosione e alla abrasione, e da un materiale legante più duttile. Il carburo di tungsteno è un buon esempio di un materiale che può essere utilizzato come il materiale della matrice per il nucleo 48. Il cobalto può venire impiegato come materiale legante del nucleo 48. Come è ben noto alle persone esperte in questo settore, le percentuali relative del materiale della matrice resistente alla erosione e alla abrasione e del materiale duttile legante conferiscono al nucleo 48 una quantità particolare di resistenza alla erosione, alla abrasione, di tenacità, duttilità e resistenza agli urti. Di conseguenza, una persona esperta in questo settore è in grado di determinare con facilità le percentuali del materiale particolare della matrice e del materiale particolare del legante con le dimensioni adatte del grano per il materiale della matrice (ad esempio da circa 10 p a circa 1 μm) al fine di impartire al nucleo 48 la quantità di duttilità voluta.

Di conseguenza, la base 42 ha di preferenza un maggiore contenuto di carburi in volume rispetto al contenuto di carburi del nucleo 48. Il maggior contenuto di carburi della base 42 è in grado di conferire alla base 42 una maggiore resistenza alla erosione e alla abrasione rispetto al nucleo 48.

Naturalmente, si possono impiegare altri materiali per.la matrice, e per il legante, sia della base 42 che del nucleo 48. Ad esempio e non in senso limitativo, il materiale della matrice può essere formato da carburo di tungsteno, carburo di molibdeno e tungsteno, carburo di silicio o da miscele di questi. Il legante può anch'esso comprendere senza limiti cobalto, ferro, nichel, una lega di ferro nichel, una lega di ferro nichel cobalto o qualsiasi miscela di queste.

La cavità 44 è chiusa all'estremità e si apre verso l'estremità di taglio 46 della base 42, e si sviluppa soltanto parzialmente nella base 42. Di conseguenza, i lati ed una estremità della cavità 44 sono definiti dalla base 42. Solamente a titolo di esempio, la cavità 44 può essere realizzata con una forma ellittica tronca (ad esempio a forma di tazza), con una forma conica, con una forma troncoconica oppure con una forma emisferica.

Di preferenza, la base 42 e la cavità 44 sono realizzate in modo da indirizzare le sollecitazioni residue del substrato 40 in posizioni volute e in modo da conferire al substrato 40 la distribuzione voluta delle sollecitazioni residue che possono essere applicate al substrato 40 per diversi materiali della base 42 e del nucleo 48. Di conseguenza, si possono considerare le diverse proprietà dei materiali della base 42 e del nucleo 48 nella; configurazione della base 42 e della cavità 44.

Dal momento che al montaggio l'estremità di taglio 46 della base 42 e l'estremità di taglio 50 del nucleo 48 sono praticamente coincidenti, quando il substrato 40 viene impiegato per scavare un foro trivellato nella terra oppure una formazione rocciosa, soltanto il materiale resistente alla erosione e alla abrasione della base 42 e il materiale super-abrasivo della piastra di taglio 52 sono esposti alla formazione trivellata, ai detriti della formazione, al fluido di perforazione e alle altre condizioni gravose che sono normalmente presenti durante la trivellazione. Quindi la superficie del substrato 40 che è adiacente in senso periferico e alla parte posteriore della piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo resiste alla erosione e alla abrasione, in modo da impedire l'asportazione per usura del materiale del substrato 40 adiacente e l'asportazione per usura della parte posteriore della piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo, con la conseguente formazione di un labbro formato da un materiale super-abrasivo sporgente adiacente alla superficie periferica della piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo. Quindi il substrato 40 può essere più simile a quelli tradizionali in modo da fornire un continuo sostegno in senso periferico e una resistenza per la piastra di tagli 52 in materiale super-abrasivo durante periodi prolungati di trivellazione. Di conseguenza, si può ridurre con l'impiego del substrato 40 la probabilità che la piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo si possa spezzare o possa subire altri tipi di danni sulla sua superficie periferica esterna.

Dal momento che il materiale del nucleo 48 è più duttile rispetto a quello della base 42, il nucleo 48 conferisce al substrato 40 altre proprietà aggiuntive di resistenza agli urti. Il materiale resistente alla erosione e alla abrasione della base 42, il quale rimane esposto quando il substrato 40 viene fissato al corpo 14 di una punta, protegge il materiale più duttile del nucleo 48 e impedisce l'asportazione per usura o erosione del nucleo 48. Quindi, quando viene impiegata una punta da trivellazione 10 che comprende uno o più substrati 40, le caratteristiche di assorbimento degli urti di ciascun substrato 40 non vengono ridotte in modo rilevante durante l'operazione di trivellazione eseguita per un periodo di tempo. prolungato, grazie alla presenza della base 42.

Inoltre, dal momento che il nucleo 48 è formato da un materiale più duttile rispetto a quello della base 42, gli urti che si verificano sulla piastra di taglio 52 in materiale superabrasivo durante la trivellazione possono venire assorbiti almeno parzialmente dal nucleo 48. Si riduce così la probabilità di avere un danno prodotto dall'urto della piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo che viene fissata all'elemento di taglio 40 secondo la presente invenzione.

Con riferimento ora alle figure 3 e 4, viene illustrata un'altra esecuzione del substrato 40'. Come è stato descritto con l'esecuzione del substrato 40 con riferimento alle figure 1 e 2, il substrato 40' comprende una base 42' é un nucleo 48' disposti in una cavità 44' della base 42'. Una estremità di taglio 50' di un nucleo 48' è tuttavia disposta arretrata rispetto ad una estremità di taglio 46' di una base 42', invece di essere praticamente coincidente con essa.

Come avviene nella esecuzione del substrato 40 descritta con riferimento alle figure 1 e 2, la base 42’ del substrato 40' è formata in un materiale* resistente alla erosione e alla abrasione, mentre il nucleo 48’ è formato da un materiale più duttile. Di conseguenza, quando una piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo viene fissata ad una estremità di taglio 50' del nucleo 48’, un bordo periferico della piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo viene protetto almeno parzialmente dalla base 42' sulla estremità di taglio 46'.

Di preferenza, la distanza nella quale la piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo viene arretrata rispetto alla estremità di taglio 46’ della base 42’ è inferiore allo spessore di una piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo (vedere figure 1 e 2), la quale deve venire fissata al substrato 40’. Di conseguenza, durante l'impiego, un bordo periferico esposto di una piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo può venire in contatto e quindi può tagliare la formazione che deve venire trivellata, mentre la zona della base 41 adiacente e che circonda un bordo inferiore della piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo può resistere alla usura, e quindi può continuare a sostenere la piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo durante 1'impiego'.

Con riferimento alle figure 12-15, l'estremità di taglio 50 del nucleo 48 può essere non piana oppure può essere profilata in modo da conferire una maggiore area superficiale alla estremità di taglio 50, il che aumenta l’adesione di una piastra di taglio 52 al substrato 40. Le figure 12 e 13 illustrano un substrato 40" con una estremità di taglio 50” che presenta un profilo su di essa cosiddetto a taglio incrociato o "RAD-X". Le figure 14 é 15 mostrano un substrato 40 che presenta sulla estremità di taglio 50 di esso un profilo cosiddetto "AXYM" o concentrico che, nella sua sezione normale ricorda la forma dei denti di una sega. Naturalmente, le piastre di taglio 52", 52 possono venire fissate a estremità di taglio 50", 50 di substrati 40”, 40 - rispettivamente. Altre interfacce non piane tra il substrato dell'elemento di taglio e la piastra di taglio possono inoltre venire impiegate negli elementi di taglio e nei substrati degli elementi di taglio secondo la presente invenzione.

Ritornando ora alle figure 5 e 6, viene illustrato un altro substrato 40" che è una modifica del substrato 40’ illustrato nelle figure 3 e 4. Come mostrano le figure 5 e 6, il substrato 40" comprende una base 42” provvista di una cavità 44” praticamente conica e formata praticamente in posizione centrale in essa e comprende un nucleo 48" praticamente conico il quale ha una forma complementare a quella della cavità 44", al fine di favorire l'inserimento del nucleo 48" nella base 44". Le forme della cavità 44" e del nucleo 48" sono diverse da quelle della cavità 44’ e del nucleo 48’ del substrato 40* illustrato nelle figure 3 e 4. Come è illustrato con linea tratteggiata 45" in figura 5, la cavità 44" e il nucleo complementare 48" possono avere la forma di tronco di cono.

Con riferimento ora alle figure 8 e 9, viene illustrata un’altra esecuzione del substrato 140 di un elemento di taglio secondo la presente invenzione. Una zona 149 con un labbro laterale del nucleo 148 del substrato 140 è esposta sulla periferia del substrato 140 secondo una forma simile ad un anello tra la piastra di taglio 152 e la base 142. Dal momento che il materiale del nucleo 148 è meno resistente alla erosione e alla abrasione rispetto a quello della base 142, questa configurazione facilita l'asportazione del materiale*dalla zona a labbro laterale 149 durante l'utiliz'zo dell’elemento di taglio. Quando il materiale esposto della zona laterale a forma di labbro 149 è soggetto a usura, oppure si distacca dal substrato 140, la zona periferica della piastra di taglio 152 non è più sostenuta. Le parti della piastra di taglio 152 che non sono più sostenute spezzano la piastra di taglio 152 in modo da aumentare l'affilamento dell'elemento di taglio. Quindi, un elemento di taglio che comprende un substrato 140 è autoaffilante.

Le figure 10 e 11 mostrano una modifica di un substrato 140' di un elemento di taglio, il quale è provvisto di un nucleo 14,8' di forma conica. Naturalmente, la base e il nucleo del substrato dell'elemento di taglio secondo la presente invenzione possono avere configurazioni diverse rispetto a quelle illustrate nelle figure 8-11.

Di preferenza, il substrato 40 è prodotto con un processo che facilita la configurazione con due diversi tipi di carburi con una robustezza sufficiente per fornire una base 42 e un nucleo 48 che hanno la forma voluta, mentre viene impedita la probabilità di avere una rottura o un altro tipo di danno sull'elemento di taglio 40 durante la fabbricazione, il successivo montaggio dell’elemento di taglio 40 ad altri componenti di una punta da trivellazione finita per la perforazione del terreno, o l'impiego successivo dell'elemento di taglio 40.

Con riferimento nuovamente alle figure 1 e 2, in una prima esecuzione di un metodo di fabbricazione di un substrato 40, prima di effettuare la sinterizzazione o lo stampaggio isostatico ad alta temperatura del materiale della matrice e del materiale legante della base 42 e del nucleo 48, il materiale della matrice e il materiale legante della base 42 e del nucleo 48 possono venire preventivamente formati con un materiale adesivo. La base 42 e il nucleo 48 possono venire formati preventivamente disponendo miscele con le volute percentuali del materiale della matrice e del materiale del legante e un materiale adesivo sia per la base 42 che per il nucleo 48 nei relativi stampi. Naturalmente, la forma degli stampi corrisponde alla forma voluta della rispettiva base 42 o nucleo 48 che devono venire formati all'interno di questi.

Al fine di tener conto del materiale adesivo ulteriormente impiegato, come anche tenendo conto della successiva compattazione sia della base 42 o il nucleo 48 durante la sinterizzazione o lo stampaggio isostatico ad alta temperatura, le dimensioni delle cavità dello stampo sono leggermente maggiori rispetto a quelle della base 42 o del nucleo 48 finiti. Le dimensioni di una base 42 o di un nucleo 48 finiti che vengono prodotti con uno stampo in conformità con la presente esecuzione del metodo di fabbricazione si possono agevolmente determinare da parte di un persona esperta in questo settore quando sono note le percentuali del materiale della matrice e del materiale del legante, la quantità e il tipo di materiale adesivo impiegato, la temperatura e la quantità di pressione impiegata con il processo di sinterizzazione o di stampaggio idrostatico ad alta temperatura, e anche altri fattori.

La base 42 e il nucleo 4B preformati possono essere fissati e incorporati l'uno all'altro mediante procedimenti noti, ad esempio unendo insieme la base 42 e il nucleo 48, disponendo l'insieme formato dalla base 42 e dal nucleo 48 entro uno stampo, ed effettuando la sinterizzazione o lo stampaggio idrostatico ad alta temperatura del gruppo formato dalla base 42 e dal nucleo 48 in modo da formare insieme un substrato finito 40.

In una esecuzione alternativa di un metodo per produrre il substrato 40, la base 42 e il nucleo 48 possono venire prodotti singolarmente mediante procedimenti noti, del tipo della sinterizzazione o lo stampaggio isostatico ad alta pressione. La base 42 e il nucleo 48 cosi prodotti possono poi venire uniti e fissati l'uno all'altro mediante procedimenti noti come ad esempio con un accoppiamento forzato o con altri mezzi meccanici, mediante saldatura oppure disponendo la base 42 e il nucleo 48 all'interno di uno stampo e applicando una pressione e/o un calore per eseguire il montaggio della base 42 e del nucleo 48, come avviene ad esempio in una pressa per diamante durante la fabbricazione della piastra di taglio 52 da applicare su di esso e quindi dopo avere efficacemente unito insieme la base 42 e il nucleo 48 mediante sinterizzazione o stampaggio isostatico ad alta temperatura. In un’altra esecuzione di questo metodo di fabbricazione, le percentuali volute del materiale particolato della matrice e del materiale legante della base 42 possono venire disposte all'interno di una cavità di un primo stampo e possono venire preformate per mezzo di un materiale' adesivo o di un altro materiale legante temporaneo o possono venire sinterizzate o stampate in modo isostatico ad alta temperatura, per formare una base finita 42. La base 42 può venire disposta entro una cavità di un secondo stampo e una seconda miscela, formata da materiale particolato di una matrice e da un materiale legante può venire disposta all'interno della cavità 44 della base 42 in modo da definire il nucleo 48 del substrato 40. Il secondo materiale può venire sinterizzato oppure stampato isostaticamente ad alta temperatura in modo da formare il nucleo 48 e in modo da unire praticamente insieme il nucleo 48 e la base 42 e quindi in modo da formare un substrato finito 40.

Un'altra esecuzione del metodo di fabbricazione secondo la presente invenzione comprende la fabbricazione preliminare della base 42 con un primo carburo cementato e un nucleo 48 di forma complementare in un secondo carburo cementato impiegando procedimenti noti, del tipo di quelli descritti in precedenza. Di preferenza, sia la base 42 che il nucleo 48 vengono sinterizzati oppure stampati in modo isostatico ad alta temperatura al fine di definire la forma della estremità di taglio 46 del nucleo 48 prima di formare su di esso una piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo. La base 42 e il nucleo 48 possono essere uniti insieme disposti all'interno di una pressa per diamante. I cristalli del diamante o i cristalli di un altro materiale super-abrasivo, (ad esempio nitruro di boro cubico) vengono anch'essi disposti nella pressa in posizione adiacente all'estremità di taglio esposta 46 del nucleo 48. Applicando una pressione sufficiente ai cristalli di materiale super-abrasivo in modo da ricavare una piastra di taglio 52 super-abrasiva sulla estremità di taglio 46 del nucleo 48, la base 42, il nucleo 48 e la piastra di taglio 52 in materiale super-abrasivo possono essere unite insieme sotto pressione mediante la pressa per diamante in un modo noto nella tecnica.

Naturalmente, metodi diversi per produrre il substrato 40 rientrano senz’altro nelle conoscenze delle persone esperte in questo settore e di conseguenza rientrano anche nello scopo della presente invenzione. Anche se i metodi di fabbricazione precedenti sono stati descritti con riferimento al substrato 40 illustrato nelle figure 1 e 2, questi metodi possono anche essere utilizzati per fabbricare substrati diversi che rientrano*nello scopo della presente invenzione.

Con riferimento nuovamente alla figura 7,i substrati 40, 40’ o 40" della presente invenzione possono venire posizionati in modo orientato su di un corpo 14 di una punta da trivellazione 10 impiegata per la perforazione del terreno, mediante la disposizione degli elementi di taglio comprendenti piastre di taglio 52 in materiale super-abrasivo fissate a substrati 40/ 40' o 40" all'interno di una cavità 26 del corpo 14 della punta, e fissando un substrato 40, 40'o 40" alla cavità 26 all'interno della quale essi sono stati disposti. Si possono impiegare procedimenti noti come la saldatura o l'impiego di materiali adesivi per fissare il substrato 40, 40' o 40" di un elemento di taglio ad una cavità 26 del corpo 14 di lina punta.

Anche se la descrizione di cui sopra contiene molte caratteristiche ed esempi, questi non devono essere considerati come limitativi per lo scopo della presente invenzione, bensì soltanto come illustrazioni di alcune delle esecuzioni preferite attualmente. Per esempio, i substrati secondo la presente invenzione e che sono stati illustrati sono utili unitamente ad .una punta rotante da trivellazione impiegata per la perforazione del terreno. In modo analogo si possono prevedere altre esecuzioni della invenzione che non si allontanano dallo spirito o dallo scopo della presente invenzione. Lo scopo di questa invenzione quindi è indicato e limitato solamente dalle rivendicazioni allegate e dai loro equivalenti da un punto di vista legale, piuttosto che dalla descrizione precedente. Tutte le aggiunte, le eliminazioni e le modifiche apportate alla invenzione e che sono state qui descritte e che rientrano nel concetto delle rivendicazioni debbono essere considerate all'interno del loro scopo di applicazione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. - Struttura da impiegare nella trivellazione del terreno, che comprende un substrato formato dà: un involucro esterno resistente alla erosione e alla abrasione che comprende una cavità aperta verso una singola apertura di esso; e un nucleo disposto all'interno di detta cavità e che è formato da un materiale più duttile rispetto a quello di detto involucro esterno. 2. - Struttura secondo la rivendicazione 1, nella quale detto involucro esterno è formato da un carburo. 3. - Struttura secondo la rivendicazione 2, nella quale detto involucro esterno è formato da carburo di tungsteno. 4. - Struttura secondo le rivendicazioni 2 o 3, nella quale detto nucleo è formato da un carburo. 5. - struttura secondo la rivendicazione 4, nella quale detto carburo di detto nucleo è formato da carburo di tungsteno. 6. - Struttura secondo le rivendicazioni 4 o 5, che comprende ulteriormente un materiale legante in detti carburi e nella quale il contenuto del materiale legante di detto involucro esterno è inferiore rispetto al contenuto del materiale legante di detto nucleo. 7. - Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 6, nella quale detto carburo di detto involucro esterno ha dimensioni di grani inferiori a quelle di detto carburo di detto nucleo . 8. - Struttura secondo la rivendicazione 6, nella quale detto materiale legante è formato da cobalto o da una lega di esso. 9. - Struttura secondo la rivendicazione 6, nella quale detto materiale legante è formato da ferro o da una lega di esso. 10. - Struttura secondo la rivendicazione 6, nella quale detto materiale legante è formato da nichel o da una lega di esso. 11,. - Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 10, nella quale il contenuto di carburo in volume di detto involucro esterno è maggiore rispetto al contenuto di carburo in volume di detto nucleo. 12. - Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, nella quale una estremità esposta di detto nucleo è praticamente coincidente con una estremità corrispondente di detto involucro esterno. 13. - Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, nella quale una estremità esposta di detto nucleo è rientrante rispetto ad una estremità corrispondente di detto involucro esterno. 14. - Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13, nella quale il materiale di detto nucleo è più tenace rispetto al materiale di detto involucro esterno. 15. - Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13, nella quale il materiale di detto involucro esterno è più resistente alla erosione e alla abrasione rispetto al materiale di dettò nucleo. 16. - Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a, 15, che comprende ulteriormente una piastra di taglio in materiale super-abrasivo disposta in posizione adiacente a detto nucleo e in prossimità di detta singola estremità aperta di detto involucro esterno. 17. - Struttura secondo la rivendicazione 16, nella quale detta piastra di taglio in materiale super-abrasivo è formata da un materiale compatto in diamante policristallino. 18. - Elemento di taglio secondo la rivendicazione 16 o 17, nel quale detto involucro esterno e detta piastra di taglio in materiale super-abrasivo comprendono praticamente detto nucleo. 19. - Struttura secondo le rivendicazioni 16/ 17 o 18/ che comprende ulteriormente il corpo di una punta al quale detto substrato è fissato mentre detta piastra di taglio in materiale super-abrasivo è orientata in senso generale verso una superficie secondo un senso di rotazione volute di detto corpo della punta durante la trivellazione del terreno.