MXPA06013149A

MXPA06013149A - Inserto de herramienta de corte.

Info

Publication number: MXPA06013149A
Application number: MXPA06013149A
Authority: MX
Inventors: Roy Derrick Achilles
Original assignee: Element Six Pty Ltd
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2007-02-14
Also published as: NO338439B1; KR101244520B1; CN1968777A; CA2566597A1; ZA200609963B; AU2005243867B2; WO2005110648A3; IL179201A0; JP4903134B2; CN1968777B; USRE47605E1; US20100236837A1; US20070039762A1; KR20070009717A; CA2566597C; RU2398660C2; EP1750876A2; JP2007537049A; AU2005243867A1; BRPI0510973A

Abstract

Un elemento de corte abrasivo de diamante policristalino consiste generalmente de una capa de diamante policristalino de alto grado unida a un sustrato de carburo cementado. La capa de diamante policristalino tiene una superficie de trabajo y una superficie periferica externa y se caracteriza porque tiene una region de anillo o una porcion de la misma adyacente a la superficie periferica con bajo contenido de material catalizador. Una region adyacente a la superficie de trabajo presenta tambien un bajo contenido de material catalizador de tal manera que, en uso, conforme se desarrolla un dano por desgaste, tanto el borde delantero como el borde posterior del mismo se localizan en una region con bajo contenido de material catalizador.

Description

INSERTO DE HERRAMIENTA DE CORTE ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a insertos de herramienta y más particularmente a insertos de herramienta de corte para su uso en la perforación y extracción de núcleos de orificios en formaciones subterráneas. Un inserto de herramienta de corte comúnmente utilizado para brocas de perforación es un inserto que comprende una capa de diamante policristalino (PCD, por sus siglas en inglés) unido a un sustrato de carburo cementado. La capa de PCD presenta una cara de trabajo y un borde de corte alrededor de una parte de la periferia de la superficie de trabajo. El diamante policristalino, que se conoce también como compacto abrasivo de diamante, comprende una masa de partículas de diamante que contiene una cantidad sustancial de unión directa diamante-diamante. Un diamante policristalino tendrá generalmente una segunda fase que contiene un- catalizador de diamante/solvente como por ejemplo cobalto, níquel, hierro o una aleación que contiene uno o varios de estos metales. En operaciones de perforación, dicho inserto de herramienta de corte está sometido a cargas pesadas y temperaturas elevadas en varias etapas de su vida. En las etapas iniciales de la perforación, cuando el borde de corte filoso del inserto entra en contacto con la formación subterránea, la herramienta de corte es sometida a grandes presiones de contacto. Esto resulta en la posibilidad del inicio de varios procesos de fracturas como, por ejemplo, agrietamiento por fatiga. Conforme se desgasta el borde de corte del inserto, la presión de contacto disminuye y es generalmente excesivamente baja para causar fallas de alta energía. Sin embargo, esta presión puede todavía propagar grietas iniciadas bajo altas presiones de contacto; y puede eventualmente resultar en fallas de tipo astillas. En la industria de la perforación, el desempeño de un cortador de PCD es determinado por la capacidad de un cortador de lograr tanto buenas velocidades de penetración en entornos cada vez más exigentes como retener una buena condición post-perforación (permitiendo por consiguiente su reutilización) . En cualquier aplicación de perforación, los cortadores pueden desgastarse a través de una combinación de desgaste de tipo abrasivo, Suave y desgaste de tipo astillas/despostillado. Mientras que un modo de desgaste abrasivo suave es deseable puesto que ofrece los máximos beneficios del material de PCD altamente resistente al desgaste, el desgaste de tipo astillado o despostillado no es favorable . Hasta un daño de fractura relativamente minimo de este tipo puede tener un efecto perjudicial tanto sobre la vida de corte como sobre el desempeño.

Con el desgaste de tipo astillado, la eficiencia de corte puede ser rápidamente reducida puesto que la velocidad de penetración de la broca de perforación en la formación se vuelve más lenta. Una vez que empieza el despostillado, la cantidad de daño se incrementa continuamente como resultado de una fuerza normal incrementada requerida ahora para lograr una profundidad dada de corte. Por consiguiente, conforme ocurre el daño al cortador y conforme disminuye la velocidad de penetración de la broca de perforación, la respuesta de peso incrementado sobre la broca puede provocar rápidamente una degradación adicional y finalmente una falla catastrófica del elemento cortador despostillado. En la optimización del desempeño de cortador de PCD el incremento de la resistencia al desgaste (con el objeto de obtener una vida de cortador mejor) se logra típicamente mediante la manipulación de variables tales como el tamaño medio de grano de diamante, el contenido global de catalizador/solvente, la densidad de diamante y similares. Típicamente, sin embargo, conforme el material de PCD se hace más resistente al desgaste, se vuelve más frágil o propenso a fracturas. Los elementos de PCD diseñados para mejorar el desempeño de desgaste presentarán por consiguiente una tendencia a tener una baja resistencia a los impactos o una resistencia reducida al astillado. Esta compensación entre las propiedades de resistencia a los impactos y resistencia al desgaste hace que el diseño de estructuras de PCD optimizadas se inherentemente auto-limitante, especialmente en el caso de aplicaciones exigentes. Si los comportamientos de despostillado de PCD más resistente al -desgaste pueden ser eliminados o controlados, entonces el desempeño potencialmente mejorado de estos tipos de cortadores de PCD puede lograrse más cabalmente. Previamente, se percibió que la modificación de la geometría del borde de corte mediante abiselado era un enfoque promisorio para reducir el comportamiento de despostillado. Se ha mostrado (US 5,437,343 y US 5,016,718) que un pre-abiselado o redondeo del borde de corte de la superficie de PCD reduce significativamente la tendencia al astillado de la superficie de corte de diamante. Este redondeo, mediante el incremento del área de contacto, reduce el efecto de los esfuerzos iniciales elevados generados durante la carga cuando el inserto entra en contacto con la formación terrestre. Sin embargo, este borde achaflanado se desgasta durante el uso del cortador de PCD y eventualmente se alcanza un punto en el cual no permanece el abiselado. En este punto, la resistencia del borde de corte al desgaste de tipo astillado será reducida a la resistencia del material de PCD no protegido/no achaflanado. El documento US 5,135,061 sugiere que este comportamiento de tipo astillado puede también ser controlado mediante la fabricación del cortador con la cara de corte formada de una capa de material de PCD que es menos resistente que el (los) material (es) de PCD subyacente (s) reduciendo por consiguiente su tendencia al astillado. El mayor desgaste de la capa menos resistente al desgaste en la región del borde de corte ofrece un borde redondeado al elemento de corte en donde engancha la formación. El redondeo del borde de corte logrado por la presente invención tiene por consiguiente un efecto anti-astillado similar al abiselado. Las ventajas de este enfoque pueden ser significativamente contrarestadas por la dificultad técnica de lograr una capa menos resistente al desgaste satisfactoriamente delgada in situ durante el proceso de síntesis. (El comportamiento consistente y controlado de esta capa anti-astillado depende evidentemente en gran medida de la geometría resultante) . Además, la resistencia reducida al desgaste de esta capa superior puede empezar a afectar la resistencia global al desgaste del cortador - lo que resulta en un achatamiento más rápido del borde de corte y un desempeño sub-óptimo. El documento JP59119500 reclama una mejora en el desempeño de materiales sinterizados de PCD después de un tratamiento químico de la superficie de trabajo. Este tratamiento disuelve y remueve la matriz de catalizador/solvente en un área inmediatamente adyacente a . la superficie de trabajo. Se reclama que la invención incrementa la resistencia térmica del material del PCD en la región en donde la matriz ha sido removida sin comprometer la resistencia del diamante sinterizado. Un elemento de corte de PCD ha sido recientemente introducido en el mercado y se dice que dicho elemento de corte tiene una resistencia mejorada al desgaste sin perder la resistencia a los impactos. Las patentes norteamericanas US 6,544,308 y 6,562,462 describen la fabricación y el comportamiento de tales cortadores. El elemento de corte de PCD se caracteriza inter alia por una región adyacente a la superficie de corte sustancialmente libre de material catalizador. La mejora del desempeño de estos cortadores se asigna a un incremento de la resistencia al desgaste del PCD en esta área; en donde la remoción del material catalizador resulta en una degradación térmica disminuida del PCD en la aplicación. Mientras que la remoción del catalizador/solvente en esta región reduce sustancialmente la incidencia de la falla por astillado altamente perjudicial en el borde delantero, una falla de tipo astillado en el borde trasero, que se origina a partir de agrietamiento de tipo lamelar característico en esta región puede también tener un efecto importante sobre el desempeño. Aún cuando los esfuerzos en la región del borde trasero no son tan elevados como en el caso del borde delantero, el agrietamiento en esta área puede causar una pérdida sustancial y por consiguiente degradar el desempeño del cortador. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN De conformidad con la presente invención, se proporciona un elemento abrasivo de diamante policristalino, particularmente un elemento de corte que comprende una capa de diamante policristalino, preferentemente de alto grado, unido a un sustrato, particularmente un sustrato de carburo cementado, a lo largo de una interfaz, la capa de diamante policristalino tiene una superficie de trabajo opuesta a la interfaz y una superficie periférica externa que se extiende entra la superficie de trabajo y la interfaz, el elemento abrasivo del diamante policristalino se caracteriza porque tiene una región anular adyacente a la superficie periférica que se extiende alejándose de la superficie de trabajo, la región anular o una porción de la misma teniendo un bajo contenido de material catalizador. La capa de diamante policristalina incluye preferentemente una región, típicamente una capa, adyacente a la superficie de trabajo que tiene también un bajo contenido de material catalizador. Como consecuencia, la capa de diamante policristalino preferida comprende una región de anillo que define un anillo completo o interrumpido, que se extiende alejándose de la superficie de trabajo y una región adyacente a la superficie de trabajo que tienen un bajo contenido de material catalizador de tal manera que, en uso, conforme se desarrolla un daño por de desgaste, tanto el borde delantero como el borde trasero se encuentren en una región con bajo contenido de material catalizador. El elemento abrasivo de diamante policristalino es preferentemente de conformidad con lo descrito en las solicitudes de patentes internacionales publicadas WO 2004/106003 y WO 2004/106004, ambas incorporándose aquí por referencia. La capa de diamante policristalino tiene una región adyacente a la superficie periférica que tiene un bajo contenido de material catalizador. Esta región se extiende lateralmente en el diamante policristalino desde la superficie periférica generalmente hasta una profundidad de aproximadamente 30 µm a aproximadamente 500 µm. Esta región se extiende también desde el borde periférico de la superficie de trabajo hacia la interfaz hasta una .profundidad de al menos la mitad del espesor global de la capa de diamante policristalino, pero se suspende antes de la interfaz, a una distancia de al menos aproximadamente 500 µm. La capa de diamante policristalino tiene también preferentemente una región adyacente a la superficie de trabajo que tiene un bajo contenido de material catalizador. En general, esta región será sustancialmente libre de material catalizador. La región se extenderá en el diamante policristalino desde una superficie de trabajo generalmente hasta una profundidad desde aproximadamente 30 µm hasta no más que aproximadamente 500 µm. El diamante policristalino tiene también una región rica en material catalizador. El material de catalizador está presente como agente de sinterización en la fabricación de la capa de diamante policristalino. Cualquier material catalizador de diamante conocido en la técnica puede emplearse. Materiales catalizadores preferidos son metales de transición del Grupo VIII tales como cobalto y níquel. La región rica en material catalizador tendrá generalmente una interfaz con la región de bajo contenido de material catalizador y se extenderá hacia la interfaz con el sustrato. La región rica en material catalizador puede comprender en sí más que una región. Las regiones pueden diferir en cuanto a tamaño medio de partículas, así como en cuanto a composición química. Estas regiones, cuando se proporcionan, estarán generalmente en planos paralelos a la superficie de trabajo de la capa de diamante policristalino. En la estructura preferida de la invención, las regiones con bajo contenido de material catalizador definen una estructura de tipo tapa que cubre la región rica en material catalizador o una porción de la misma. Según otro aspecto de la invención, un método para la producción de un elemento abrasivo de PCD de conformidad con lo descrito arriba incluye los pasos de crear un ensamble no unido mediante el suministro de un sustrato, que puede incluir una superficie interfacial no planar, colocar una masa de partículas de diamante en el sustrato, la masa de partículas de diamante se selecciona preferentemente de tal manera que pueda producir diamante policristalino de alto grado, y suministrar una fuente de material catalizador para las partículas de diamante, someter el ensamble no unido a condiciones de temperatura elevada y presión elevada adecuadas para producir una capa de diamante policristalino de la masa de partículas de diamante, dicha capa es unida al sustrato, y remover el material catalizador de regiones respectivas de la capa de diamante policristalino adyacente a las superficies de trabajo expuestas y periféricas, respectivamente . El material catalizador es preferentemente removido a una profundidad de al menos la mitad del espesor global de la capa de diamante policristalino. El sustrato será generalmente un sustrato de carburo - cementado. La fuente de material catalizador será generalmente el sustrato de carburo cementado. Cierto material catalizador adicional puede mezclarse con las partículas de diamante. El material catalizador es removido de las regiones de la capa de diamante policristalino adyacente a las superficies expuestas. En general, está superficies se encuentran en un lado de la capa policristalina opuesto al sustrato, lo que ofrece una superficie de trabajo para la capa de diamante policristalino y una superficie periférica que se extiende entre las superficie de trabajo y el sustrato. La remoción del material catalizador puede efectuarse utilizando métodos conocidos en la técnica como por ejemplo ataque químico electrolítico, lixiviación con ácido y técnicas de evaporación. El material catalizador es típicamente removido por lixiviación con ácido. Con el objeto de lograr lo que se conoce como un anillo interrumpido con bajo contenido de material catalizador, se puede utilizar un agente que resiste a ataques ácidos para permitir la lixiviación con máscara. Las condiciones de temperatura elevada y presión elevada que son necesarios para la producción de la capa de diamante policristalino a partir de una masa de partículas de diamante son bien conocidas en la técnica. Típicamente, esas condiciones son presiones dentro de un rango de 4 a 8 GPa y temperaturas dentro del rango de 1300 a 1700° C. A si mismo de conformidad con la presente invención se proporciona una broca de perforación rotatoria que contiene varios elementos de cortador, sustancialmente todos los cuales son elementos abrasivos de PCD, de conformidad con lo descrito arriba. La invención abarca un método para reducir, preferentemente eliminar, el desgaste de tipo astillado y/o despostillado en un elemento abrasivo de diamante policristalino susceptible a dicho desgaste, que incluye el paso de remover material catalizador de regiones de la capa de diamante policristalino adyacente a ambas superficies expuestas del mismo. Se ha encontrado que los elementos abrasivos de PCD de la presente invención tienen un comportamiento de desgaste significativamente mejorado, como resultado del control del componente de desgaste por astillado y despostillado, en comparación con elementos- abrasivos de PCD de la técnica anterior. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se describirá a continuación con mayores detalles a titulo de ejemplo solamente con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales: la Figura 1 es una vista en perspectiva de una modalidad preferida de un elemento abrasivo de diamante policristalino de la presente invención; y la Figura 2 es una vista lateral en corte transversal a lo largo de la línea 2-2 del elemento abrasivo de diamante policristalino de la Figura 1. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El elemento abrasivo de diamante policristalino de la invención tiene aplicación particular como un elemento de cortador para brocas de perforación. En esta aplicación, se ha encontrado que tiene excelente resistencia al desgaste y resistencia a los impactos sin ser susceptible a despostillado o astillado en ninguno del borde delantero ni borde trasero del daño por desgaste típico. Estas propiedades permiten su uso efectivo en perforación y extracción de núcleos de formaciones subterráneas que tienen una alta resistencia a la compresión. Con referencia a las Figuras 1 y 2 de los dibujos adjuntos, el elemento de corte 10 tiene una capa de diamante policristalino 12, unida a un sustrato 14. La capa de diamante policristalino tiene una superficie de trabajo superior 16 alrededor del cual se encuentra un borde de corte periférico 18 y una superficie periférica 20. La capa de diamante policristalino 12 tiene regiones respectivas 22, 24 con bajo contenido de material catalizador y una región 26 rica en material catalizador. Las regiones 22, 24 con bajo contenido de material catalizador se extienden respectivamente desde la superficie de trabajo 16 y superficie periférica 20 en la capa de diamante policristalino 12. La profundidad de cada región, conforme se extiende lateralmente alejándose de la superficie respectiva 16, 20, será típicamente no mayor de 500 mieras, y preferentemente entre 30 y 400 mieras, con mayor preferencia entre 60 y 350 mieras. Además, la región 24 se extiende a una profundidad, a partir de la superficie de trabajo 16 hacia el sustrato 14, de al menos la mitad del espesor global de la capa de diamante policristalino 12, pero preferentemente se detiene antes de la región de interfaz 18 a una distancia de al menos 500 µm con el objeto de evitar una lixiviación accidental de la región de interfaz 28. Típicamente, si el borde de PCD está abiselado, las regiones 22, 24 con bajo contenido de material catalizador seguirán generalmente la forma de este bisel y se extenderán a lo largo del bisel. El resto de la capa de diamante policristalino 12 que se extiende hacia el sustrato de carburo cementado 14 es la región 26 rica en material catalizador. Además, las superficies 16, 20 del elemento de PCD pueden ser mecánicamente pulidas con el objeto de lograr una superficie o acabado con baja fricción. En uso, conforme la capa de PCD 12 entra en contacto con un sustrato a perforar, desarrolla un daño por desgaste 30 que tiene un borde delantero 32 y un borde trasero 34. Mediante el hecho de suministrar regiones respectivas, 22, 24 con bajo contenido de material catalizador, conforme se desarrolla el daño por desgaste 30 tanto el borde delantero 32 como el borde trasero 34 están ubicados en una región con bajo contenido de material catalizador. Así, las ventajas previamente percibidas de remoción de material catalizador de la superficie de trabajo de un elemento abrasivo de PCD se extienden ahora al borde trasero 34, mejorando así adicionalmente el desempeño del mismo durante el uso. En la presente modalidad, la región 24 tiene la forma de una región en forma de anillo completo con bajo de contenido de material catalizador. En la práctica, típicamente solamente algunos segmentos de la capa de diamante 12 se utilizan en la operación de perforación. Por ejemplo, el inserto puede ser sometido a rotación a 90° cuando el daño por desgaste 30 se vuelve excesivamente grande, formando de esta forma un nuevo daño por desgaste. Mediante la repetición de esta operación, Se podrían desarrollar cuatro daños por desgaste, por ejemplo. Es por consiguiente posible lixiviar solamente las porciones o región 24 que corresponden a los segmentos en donde se formarán las cicatrices de desgaste respectivas, formando por consiguiente lo que se conoce como región de anillo interrumpido con bajo contenido de material catalizador. En general,- la capa de diamante policristalino 12 será producida y unida al sustrato de carburo cementado 14 por métodos conocidos en la técnica. Después, el material catalizador es removido de . la superficie de trabajo 16 y superficie periférica 10 de la modalidad particular utilizando cualquiera de varios métodos conocidos. Un método de este tipo es el uso de una lixiviaeión de ácido mineral caliente, por ejemplo una lixiviación de ácido clorhídrico caliente. Típicamente, la temperatura del ácido será de aproximadamente 110° C y los tiempos de lixiviación entre tres y 60 horas. El área de la capa de diamante policristalino que no se contempla para lixiviación y el sustrato de carburo serán adecuadamente enmascarados con material resistente a ácidos. Esto aplicará también cuando se proporciones una región interrumpida 24. En la producción de los elementos abrasivos de diamante policristalino descritos arriba, una capa de partículas de diamante, opcionalmente mezclados con cierto material catalizador, se colocará en un sustrato de carburo cementado. Este ensamble no unido es después sometido a condiciones de temperatura y presión elevadas con el objeto de producir el diamante policristalino de las partículas de diamante unidas al sustrato de carburo cementado. Las condiciones y pasos requeridos para lograr esto son bien conocidos en la técnica. Las partículas de diamante comprenderán preferentemente una mezcla de partículas de diamante, con diferentes tamaños medios de partículas. En una modalidad, la mezcla comprende partículas que tienen 5 tamaños medios diferentes de partículas, de conformidad con lo siguiente: Tamaño medio de partículas Porcentaje en masa (en mieras) De 20 a 25 De 25 a 30 (preferentemente 22) (preferentemente 28) De 10 a 15 De 40 a 50 (preferentemente 12; (preferentemente 44) De 5 a 8 De 5 a 10 (preferentemente 6) (preferentemente 7) De 3 a 5 De 15 a 20 (preferentemente 4 ) (preferentemente 16) menos que 4 menos que 8 (preferentemente 2) (preferentemente 5) En otra modalidad, la capa de diamante policristalino comprende dos capas que difieren en cuanto a su mezcla de partículas. La primera capa, adyacente a la superficie de trabajo, tiene una mezcla de partículas del tipo descrito arriba. La segunda capa, que se encuentra entre la primera capa y el sustrato, es una capa en la cual (i) la mayoría de las partículas tienen un tamaño medio de partículas dentro de un rango de 10 a 100 mieras, y consisten de al menos tres tamaños medios diferentes de partículas y (ii) al menos 4% en masa de las partículas tiene un tamaño medio de partículas inferior a 10 mieras. La dos mezclas de diamante para la primera capa y para la segunda capa pueden contener también material catalizador adjuntados.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un elemento abrasivo de diamante policristalino que comprende una capa de diamante policristalino unida a un sustrato a lo largo de una interfaz, la capa de diamante policristalino tiene una superficie de trabajo opuesta a la interfaz y una superficie periférica externa que se extiende entre la superficie de trabajo y la interfaz, el elemento abrasivo de diamante policristalino se caracteriza porque tiene una región de anillo adyacente a la superficie periférica que se extiende alejándose de la superficie de trabajo, la región de anillo o una porción de la misma tiene un bajo contenido de material catalizador.
2. Un elemento abrasivo de diamante policristalino de conformidad con la reivindicación 1, en donde la capa de diamante policristalino tiene también una región adyacente a la superficie de trabajo que tiene un bajo contenido de material catalizador.
3. Un elemento abrasivo de diamante policristalino de conformidad con la reivindicación 1 ó de conformidad con la reivindicación 2, en donde la(s) región (es) con bajo contenido se extiende (n) en el diamante policristalino a partir de la superficie periférica y/o superficie de trabajo hasta una profundidad de aproximadamente 30 µm a aproximadamente 500 µm.
4. Un elemento abrasivo de diamante policristalino de conformidad con cualquiera de' las reivindicaciones anteriores, en donde la región de anillo se extiende desde la superficie de trabajo hacia la interfaz hasta una profundidad de al menos la mitad del espesor global de la capa de diamante policristalino, pero se detiene antes de la interfaz a una distancia de al menos aproximadamente 500 µm.
5. Un elemento abrasivo de diamante policristalino de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa de diamante policristalino tiene también una región rica en material catalizador.
6. Un elemento abrasivo de diamante policristalino de conformidad con la reivindicación 5, en donde el material de catalizador está presente como agente de sinterización en la fabricación de la capa de diamante policristalino.
7. Un elemento abrasivo de diamante policristalino de conformidad con la reivindicación 5 o de conformidad con la reivindicación 6, en donde la región rica en material catalizador misma comprende más de una región que difieren en cuanto a tamaño medio de partículas o composición química.
8. Un elemento abrasivo de diamante policristalino de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que es un elemento de corte.
9. Un elemento abrasivo de diamante policristalino de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el diamante policristalino es de alto grado.
10. Un elemento abrasivo de diamante policristalino de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sustrato es un sustrato de carburo cementado .