RU2048649C1 - Method for strengthening surface of slide bearing of drilling bit - Google Patents

Method for strengthening surface of slide bearing of drilling bit Download PDF

Info

Publication number
RU2048649C1
RU2048649C1 SU5005619A RU2048649C1 RU 2048649 C1 RU2048649 C1 RU 2048649C1 SU 5005619 A SU5005619 A SU 5005619A RU 2048649 C1 RU2048649 C1 RU 2048649C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
boron
temperature
iron
graphite
coating
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Е. Панин
А.В. Колубаев
О.В. Сизова
Г.В. Трусова
С.Ю. Тарасов
П.И. Сопин
Б.П. Балабашин
Р.М. Богомолов
А.В. Торгашов
В.И. Ковешников
Original Assignee
Специальное конструкторское бюро по долотам Самарского долотного завода
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Специальное конструкторское бюро по долотам Самарского долотного завода, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН filed Critical Специальное конструкторское бюро по долотам Самарского долотного завода
Priority to SU5005619 priority Critical patent/RU2048649C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2048649C1 publication Critical patent/RU2048649C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

FIELD: drilling bits. SUBSTANCE: borating is carried out in two stages: first at 840-860 C, then the temperature is increased to 900-920 C for a preset period. This forms a multilayer structure of the coating wherein iron hemoboride and boron cementite with relatively penetrating teeth are positioned on the cemented layer. Borating is carried out with a mixture composed of, wt. -% boron carbide, 40-70; modifying mixture, 10-30; the balance consists of equal parts of graphite or aluminium oxide, or aluminium oxide and iron powder, or iron powder and graphite. EFFECT: high hardness and wear resistance of strong and plastic base. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к способам обработки поверхностей металлов, в частности опорных поверхностей буровых долот, требующих высокой твердости и износостойкости, при наличии прочного пластичного основания. The invention relates to methods for processing metal surfaces, in particular supporting surfaces of drill bits requiring high hardness and wear resistance, in the presence of a strong plastic base.

Опоры скольжения шарошечного бурового долота, как известно, воспринимают высокие циклические нагрузки и требуют наличия высокой износостойкости опорной поверхности. The sliding bearings of the cone drill bit are known to perceive high cyclic loads and require high wear resistance of the supporting surface.

Известен способ борирования стальных деталей, включающий нагрев до температуры насыщения, выдержку в насыщающей среде с дополнительной выдержкой в этой же насыщающей среде при температуре на 40-70оС ниже температуры начала превращения перлита в аустенит.A method is known boronizing of steel parts, comprising the heating to the saturation temperature, maintaining a saturating medium with additional exposure to the same medium at a saturating temperature 40-70 ° C below the conversion start temperature of pearlite to austenite.

Недостаток данного способа получение однослойного боридного покрытия на мягкой основе, что исключает применение его при высоких нагрузках. The disadvantage of this method is to obtain a single-layer boride coating on a soft basis, which excludes its use at high loads.

Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и применению является способ борирования, включающий цементирование опорной поверхности бурового долота, борирование, закалку и отпуск. Получают однослойную структуру боридного покрытия, лежащего на слое высокоуглеродистого мартенсита. Значительная разница в объемах этих фаз и КТР приводит к возникновению нежелательных микронапряжений в покрытии в процессе ХТО, и, следовательно, имеется большая вероятность растрескивания слоя при внешнем нагружении, что ухудшает эксплуатационные характеристики изделия. The closest in technical essence, the achieved result and application is the boronation method, including cementing the supporting surface of the drill bit, boring, quenching and tempering. A single-layer structure of a boride coating lying on a layer of high-carbon martensite is obtained. A significant difference in the volumes of these phases and KTP leads to the occurrence of undesirable microstresses in the coating during the XTO process, and, therefore, there is a high probability of layer cracking under external loading, which affects the performance of the product.

Цель изобретения получение твердого износостойкого покрытия с демпфирующей структурой. The purpose of the invention is the preparation of a hard wear-resistant coating with a damping structure.

Поставленная цель достигается тем, что в способе упрочнения поверхности опоры скольжения, включаем цементацию поверхности, борирование, закалку и отпуск. Процесс борирования проводят в две стадии: сначала при температуре 840-860оС, затем повышают температуру до 900-920оС и выдерживают при ней. В результате формируется многослойная структура твердого износостойкого покрытия, в которой гемоборид железа и борный цементит с взаимопроникающими зубьями расположены на цементированном слое.This goal is achieved by the fact that in the method of hardening the surface of the sliding support, we include surface cementation, boring, hardening and tempering. Boriding process is conducted in two stages: first at a temperature of 840-860 ° C, then the temperature was raised to 900-920 ° C and held there. As a result, a multilayer structure of a hard wear-resistant coating is formed, in which iron hemoboride and boron cementite with interpenetrating teeth are located on the cemented layer.

Для осуществления предлагаемого способа необходимо провести следующие операции в вышеуказанной последовательности. Цементацию проводят в печи при температуре 920-940оС в атмосфере эндогаза с углеродным потенциалом 1,30-1,40% в течение 6 ч. Это дает глубину цементированного слоя около 2 мм с содержанием углерода на поверхности около 1 Борирование проводят в печи для цементации сначала при температуре 840-860оС с выдержкой при этой температуре не менее 2 ч. Затем температуру повышают до 900-920оС и выдерживают при этой температуре 2-3 ч. Процесс борирования осуществляют в атмосфере эндотермического газа с углеродным потенциалом 1 Общее время борирования составляет 4-6 ч.To implement the proposed method, it is necessary to carry out the following operations in the above sequence. Cementation is carried out in an oven at a temperature of 920-940 C. endogas atmosphere having a carbon potential of 1.30-1.40% for 6 hours. This gives the cemented layer depth of about 2 mm with a carbon content at the surface of about 1 boriding is conducted in an oven for carburizing first at a temperature of 840-860 C and held at this temperature for at least 2 hours. The temperature was then raised to 900-920 C and kept at this temperature for 2-3 hours. boriding process is performed in endothermic gas atmosphere with a carbon potential of 1 Total boration time is 4-6 h

При борировании используют смесь следующего состава, мас. карбид бора 40-70; модифицирующая смесь, состоящая, например, из пятиокиси ниобия 1-3, двуокиси циркония 25-30, двуокиси титана 3-6, криолита до 30, каолина 10-30, графит остальное. Вместо графита могут быть использованы окись алюминия, или окись алюминия и порошок железа, или порошок железа и графит по крайней мере в равных между собой отношениях в обоих случаях. When boron use a mixture of the following composition, wt. boron carbide 40-70; modifying mixture, consisting, for example, of niobium pentoxide 1-3, zirconium dioxide 25-30, titanium dioxide 3-6, cryolite up to 30, kaolin 10-30, graphite the rest. Instead of graphite, alumina, or alumina and iron powder, or iron powder and graphite can be used in at least equal proportions in both cases.

Необходимость проведения борирования в две стадии обусловлена следующим. При температуре 840-860оС по причине малой диффузионной подвижности атомов бора в стали образуется высокобористая фаза на поверхности изделия. Углерод, вытесненный из боридов, не растворяется в аустените, т.к. непосредственно под боридным покрытием его концентрация превышает 1 а образует с железом вторичный цементит. Повышение затем температуры до 900-920оС приводит к возрастанию диффузионной подвижности бора и формированию зубчатой структуры покрытия. Углерод при этом вытесняется в сторону от зубьев боридов с сохранением соединения Fe3 (C, В) в основаниях зубьев (фиг.1). Следующие операции способа представляют собой закалку и отпуск цементированной, борированной и очищенной стальной поверхности. Нагрев под закалку осуществляется в атмосфере цементации или восстановления, что предотвращает обезуглероживание или окисление борированного слоя. Температура закалки 820оС. Температура отпуска 180-200оС. Это придает цементированному слою пластичность без значительного снижения его прочности с целью получения мартенсита отпуска.The need for boration in two stages is due to the following. At a temperature of 840-860 ° C due to low diffusion mobility of atoms of boron in the high-boron steel is formed on the surface of the product phase. Carbon displaced from borides does not dissolve in austenite, because directly under the boride coating, its concentration exceeds 1 and forms secondary cementite with iron. Raising the temperature then to 900-920 ° C leads to an increased mobility of boron diffusion and formation of the toothed structure of the coating. In this case, the carbon is displaced away from the teeth of the borides while maintaining the compound Fe 3 (C, B) in the tooth bases (Fig. 1). The following method steps are hardening and tempering of a cemented, boronated and cleaned steel surface. Hardening is carried out in an atmosphere of cementation or reduction, which prevents decarburization or oxidation of the boron layer. Quenching temperature of 820 C. The tempering temperature of 180-200 ° C. This gives a cemented layer ductility without significantly reducing its strength in order to obtain martensite.

Проведение всех операций в указанной последовательности по предлагаемому способу позволяет получить твердые износостойкие поверхности опор скольжения шарошечного бурового долота, срок службы которых в 1,5-2 раза выше, чем, например, срок службы поверхности опор скольжения, использующих нанесение твердого сплава на кобальтовой основе серии "Стеллит". Performing all operations in the indicated sequence according to the proposed method allows to obtain solid wear-resistant surfaces of sliding bearings of a cone drill bit, the service life of which is 1.5-2 times higher than, for example, the service life of the surface of sliding bearings using a cobalt-based carbide coating series "Stellit."

П р и м е р. Борирование производят на образцах стали марки 15Н3МА или 14ХН3МА. Для осуществления способа используют состав для борирования, приготовленный следующим образом: взвешивают карбид бора, модифицирующую смесь (МС) и графит в таком количестве, чтобы получить состав, мас. карбид бора 60; МС 30; графит 10. Затем компоненты смешивают в смесителе в течение 2 ч. На дно контейнера из жаростойкой стали насыпают слой полученной смеси достаточной толщины (не менее 10 мм), укладывают предварительно цементированные образцы на расстоянии 10 мм друг от друга и засыпают оставшейся смесью. Контейнер помещают в печь для цементации. Создают атмосферу эндотермического газа с углеродным потенциалом 1% и нагревают до температуры 850оС. Выдерживают при ней 2 ч, затем нагревают до температуры 910оС и выдерживают 3 ч. Толщина боридного слоя достигает 80 мкм. Далее охлаждают контейнер до комнатной температуры. Образцы вынимают, производят механическую очистку и подвергают термообработке. Закалка в масле от температуры 820оС, отпуск при температуре 200оС. Качество и толщину боридного слоя проверяют металлографически с помощью микроскопа.PRI me R. Boroning is carried out on samples of steel grade 15H3MA or 14XH3MA. To implement the method, a boron composition is used, prepared as follows: boron carbide, a modifying mixture (MS) and graphite are weighed in such an amount as to obtain the composition, wt. boron carbide 60; MS 30; graphite 10. Then the components are mixed in the mixer for 2 hours. A layer of the obtained mixture of sufficient thickness (at least 10 mm) is poured onto the bottom of the container made of heat-resistant steel, pre-cemented samples are placed at a distance of 10 mm from each other and filled with the remaining mixture. The container is placed in a carburizing furnace. Create an endothermic atmosphere with a carbon potential of the gas 1% and heated to 850 ° C held there for 2 hours, then heated to a temperature of 910 ° C and held for 3 hours. The thickness of the boride layer is 80 microns. Next, cool the container to room temperature. Samples are taken out, mechanically cleaned and heat treated. Oil quenching from a temperature of 820 C, at a tempering temperature of 200 C. The quality and thickness of the boride layer metallographically checked using a microscope.

Так как структура цементита имеет большее сходство к структуре мартенсита, чем борида, физико-механические свойства многослойного покрытия выше двухслойного: борид-мартенсит. На это указывает образование трещин в покрытиях с разной структурой при вдавливании индентора. Отношение нагрузки, создаваемой индикатором, к сумме длины трещин, исходящих из отпечатка, может служить показателем трещиностойкости покрытия. На фиг.2 показаны зависимости Р/е для двух покрытий, полученных по предлагаемому способу (зависимость 1) и по традиционному (зависимость 2), имеющему структуру однослойного борида (фиг. 3). Видно, что вязкость разрушения (трещиностойкость) выше у покрытия, полученного по предлагаемому способу. При испытаниях на трение многослойное покрытие показало себя также значительно лучше. На фиг.4 и 5 представлены следы трения на образцах с предлагаемым (фиг.4) и традиционным (фиг.5) покрытием. Видно, что однослойное боридное покрытие (фиг.5) разрушается хрупко, тогда как покрытие, полученное по предлагаемому способу, не разрушается в тех же условиях испытания (фиг.4). Since the structure of cementite is more similar to the structure of martensite than boride, the physicomechanical properties of the multilayer coating are higher than the two-layer: boride-martensite. This is indicated by the formation of cracks in coatings with different structures upon indentation. The ratio of the load created by the indicator to the sum of the lengths of cracks originating from the fingerprint can serve as an indicator of the crack resistance of the coating. Figure 2 shows the P / e dependences for two coatings obtained by the proposed method (dependence 1) and traditional (dependence 2) having the structure of a single layer boride (Fig. 3). It is seen that the fracture toughness (crack resistance) is higher for the coating obtained by the proposed method. In friction tests, a multilayer coating also performed significantly better. Figures 4 and 5 show traces of friction on samples with the proposed (figure 4) and traditional (figure 5) coating. It can be seen that the single-layer boride coating (Fig. 5) is brittle, while the coating obtained by the proposed method does not collapse under the same test conditions (Fig. 4).

Claims (2)

1. СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОПОРЫ СКОЛЬЖЕНИЯ БУРОВОГО ДОЛОТА, включающий цементацию поверхности, борирование, закалку и отпуск, отличающийся тем, что, с целью получения твердого износостойкого покрытия с демпфирующей структурой, борирование осуществляют в две стадии: сначала при 840-860oС, затем повышают температуру до 900 920oС и выдерживают при ней, при этом формируется многослойная структура покрытия, в которой гемоборид железа Fe2B и борный цементит с взаимопроникающими зубьями расположены на цементированном слое.1. SURFACE HARDENING METHOD OF A DRILL BIT SLIDING SUPPORT, including surface cementation, boronation, hardening and tempering, characterized in that, in order to obtain a hard wear-resistant coating with a damping structure, boroning is carried out in two stages: first at 840-860 o C, then increase the temperature to 900 920 o C and maintain it, while forming a multilayer coating structure in which iron hemoboride Fe 2 B and boron cementite with interpenetrating teeth are located on the cemented layer. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что борирование производят смесью следующего состава, мас. 2. The method according to claim 1, characterized in that the boron is produced by a mixture of the following composition, wt. Карбид бора 40 70
Модифицирующая смесь 10-30
остальное графит или окись алюминия, или окись алюминия и порошок железа, или порошок железа и графита в равных между собой соотношениях в обоих случаях.
Boron carbide 40 70
Modifying mixture 10-30
the rest is graphite or aluminum oxide, or aluminum oxide and iron powder, or iron and graphite powder in equal proportions in both cases.
SU5005619 1991-10-18 1991-10-18 Method for strengthening surface of slide bearing of drilling bit RU2048649C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5005619 RU2048649C1 (en) 1991-10-18 1991-10-18 Method for strengthening surface of slide bearing of drilling bit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5005619 RU2048649C1 (en) 1991-10-18 1991-10-18 Method for strengthening surface of slide bearing of drilling bit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2048649C1 true RU2048649C1 (en) 1995-11-20

Family

ID=21586975

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5005619 RU2048649C1 (en) 1991-10-18 1991-10-18 Method for strengthening surface of slide bearing of drilling bit

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2048649C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1094167C (en) * 1999-09-06 2002-11-13 江汉石油钻头股份有限公司 Roller bit with solid lubricant layer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Патент США N 3922038, кл. 308-8.2, опубл. 1975. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1094167C (en) * 1999-09-06 2002-11-13 江汉石油钻头股份有限公司 Roller bit with solid lubricant layer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sun Kinetics of low temperature plasma carburizing of austenitic stainless steels
US9260775B2 (en) Low alloy steel carburization and surface microalloying process
US3891474A (en) Method for the case carburizing of steel
Jurči et al. Diffusion boronizing of H11 hot work tool steel
EP0013063A1 (en) Method of treating the surfaces of high carbon steel bodies
KR100503838B1 (en) Gas Carburizing Furnace Parts and Jigs
US5910223A (en) Steel article having high hardness and improved toughness and process for forming the article
US8425691B2 (en) Stainless steel carburization process
US4188242A (en) Combination carburizing and boronizing methods
RU2048649C1 (en) Method for strengthening surface of slide bearing of drilling bit
Sireli et al. Surface modification of chromium-silicon martensitic steel by forming hard borides
US4495005A (en) Carbosiliconizing ferrous substrates
US4539053A (en) Pack composition for carburosiliconizing ferrous substrates
Triwiyanto et al. Low temperature thermochemical treatments of austenitic stainless steel without impairing its corrosion resistance
Pertek-OwsiAnnA The structure and properties of iron alloys with various chemical compositions after diffusional boronizing
US4533403A (en) Pack composition for borocarburizing ferrous substrates
Li et al. Influence of nitriding time on the notch fatigue strength of plasma nitrided 709M40 steel
JP2003105505A (en) High fatigue strength and high rigidity steel, and production method therefor
RU2693416C1 (en) Method of borating surface layers of carbon steel by means of induction action
RU2695858C1 (en) Method for graphitization of low-carbon steels combined with preliminary cementation in the temperature of polymorphous transformation temperatures
SU1260407A1 (en) Carburizing steel
US1995314A (en) Process of casing steel articles
SU668975A1 (en) Composition for boron treatment of steel articles
Lelong Low Pressure Carbonitriding of Steel Alloys with Boron and Niobium Additions Larissa Vilela Costa, Kip O. Findley Advanced Steel Processing & Products Research Center, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, USA lvilelacostaQmines. edu, kfindley (G) mines. edu
Mishigdorzhiyn et al. Electron-beam surface modification of B-Al diffusion layer obtained by thermal-chemical treatment on the surface of H21 steel