RU2566252C2 - Способ изготовления породоразрушающего инструмента - Google Patents
Способ изготовления породоразрушающего инструмента Download PDFInfo
- Publication number
- RU2566252C2 RU2566252C2 RU2013144361/02A RU2013144361A RU2566252C2 RU 2566252 C2 RU2566252 C2 RU 2566252C2 RU 2013144361/02 A RU2013144361/02 A RU 2013144361/02A RU 2013144361 A RU2013144361 A RU 2013144361A RU 2566252 C2 RU2566252 C2 RU 2566252C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tool
- matrix
- temperature
- inclusions
- cryogenic treatment
- Prior art date
Links
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
Изобретение относится к изготовлению породоразрушающего инструмента. Формируют в графитовой форме композиционную матрицу инструмента, содержащую включения в виде алмаза или твердого сплава, прессуют, затем проводят нагрев спрессованного инструмента до температуры пропитки с горячим прессованием и охлаждают инструмент на воздухе до 350°C. После снятия графитовой формы погружают инструмент в воду комнатной температуры и проводят последующую сушку. После сушки проводят закалку инструмента криогенной обработкой путем погружения его в жидкий азот и выдержкой в нем 16-20 минут, при этом формирование композиционной матрицы в графитовой форме осуществляют с учетом ожидаемого уровня остаточных напряжений в инструменте после криогенной обработки. Обеспечивается повышение стойкости и качества породоразрушающего инструмента. 1 табл.
Description
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления алмазного и твердосплавного породоразрушающего инструмента матричного типа, в частности коронок для колонкового бурения, долот для бескернового бурения, тонкостенных кольцевых сверл для сверления бетона и железобетона и т.п.
Известен способ изготовления алмазного и твердосплавного породоразрушающего инструмента путем формирования матрицы в графитовой форме, прессования, нагрева до температуры пропитки и охлаждения (см. Н.И. Корнилов, B.C. Травкин, Л.К. Берестеев, Д.И. Коган: М.: Недра, 1979, 354 с.).
Недостатком этого способа изготовления является то, что породоразрушающие элементы (алмазные и твердосплавные зерна) в матрице удерживаются только за счет слабого физического обжатия и сравнительно быстро выпадают из тела матрицы после обнажения их в процессе разрушения горной породы на забое скважины, что обуславливает низкую стойкость инструмента.
Известен также способ изготовления породоразрушающего инструмента, включающий формирование матрицы в графитовой форме, прессование, нагрев до температуры пропитки, охлаждение, отличающийся тем, что после нагрева до температуры пропитки производят горячее прессование инструмента, а затем его охлаждают до 350°C на воздухе с изотермической выдержкой при этой температуре 10-15 минут и далее погружают в воду, имеющую комнатную температуру с выдержкой до принятия температуры воды (см. патент на изобретение №220244 В22F «Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента», 20.03.2001).
Недостатком этого способа является недостаточно прочное удержание алмазов в матрице алмазной коронки, что обуславливает пониженную стойкость его при бурении.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение важного технического результата - повышение стойкости и качества породоразрушающего инструмента за счет увеличения уровня остаточных напряжений сжатия и связанного с ним улучшения удержания породоразрушающих элементов (алмазных или твердосплавных резцов) в матрице.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе изготовления породоразрушающего инструмента, включающем формирование матрицы в графитовой форме, прессование, нагрев до температуры пропитки и охлаждение до 350°C и далее погружение в воду, имеющую комнатную температуру, с последующей сушкой, после сушки породоразрушающий инструмент подвергают криогенной обработки путем погружения в жидкий азот с выдержкой в нем 16-20 минут, при этом ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице породоразрушающего инструмента после криогенной обработки определяют по зависимости
где σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице инструмента, МПа;
a - коэффициент пропорциональности (a=0,85÷0,95);
K - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов K=0,36, а для алмазов K=0,31;
αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °C-1;
ΔT - разница начальной и конечной температур, °C;
νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;
Eв, Eм - модуль нормальной упругости материала включения и матрицы соответственно, МПа.
Благодаря тому, что после сушки породоразрушающий инструмент подвергают криогенной обработке путем погружения в жидкий азот с выдержкой в нем 16-20 минут происходит комплексный термоудар, что приводит к повышению уровня остаточных напряжений сжатия, что улучшает удержание породоразрушающих элементов в матрице коронки. Причем при выдержке менее 16 минут не происходит увеличения уровня остаточных напряжений, а при выдержке более 20 минут уже не возрастает достигнутое значение уровня остаточных напряжений.
Определение остаточных макронапряжений σ1, σ2 и внутренних микронапряжений (σвн) производим метод рентгеноструктурного анализа с использованием обратной съемки на дифракторе. Следует заметить, что в данном случае термины макро и микро обозначают только пространственные масштабы объемов, в которых действуют эти напряжения. Результаты определения остаточных напряжений и характеристик субструктуры в медно-никелевом сплаве представлены в табл. 1. При этом в качестве главного остаточного напряжения σ1 всегда принимаем наибольшее (σ1, σ2) из двух измеренных остаточных напряжений.
Из таблицы видно, что изменение начальной температуры термоудара по режиму А наиболее существенно сказывается на величине главного остаточного напряжения σ1. Изменение остальных параметров и характеристик выражено значительно слабее и, в принципе, вполне сопоставимо с погрешностью использованных для их определения экспериментальных методик.
Наибольшее увеличение уровня остаточных напряжений наблюдается от начальной температуры Тн=350°C. Именно эта температура и была взята для проведения термоудара на первой ступени при обработке матрицы по режимам. Из табл. 1 также следует, что комплексный термоудар по режиму В, дополняющий закалку от повышенных температур криогенным термоударом, приводит к повышению уровня остаточных напряжений на 10 и 30%. При температурах 350 и 400°C соответственно, что обуславливает повышение качества удержания породоразрушающих элементов в матрице породоразрушающего инструмента и повышение его работоспособности.
Вследствие того, что ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице породоразрушающего инструмента после криогенной обработки определяют по зависимости
где σ0 -ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице инструмента, МПа;
а - коэффициент пропорциональности (а=0,85÷0,95);
К - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов К=0,36, а для алмазов К=0,31;
αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества
матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °C-1;
ΔT - разница начальной и конечной температур, °C;
νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;
Eв, Eм - модуль нормальной упругости материала включения и матрицы соответственно, МПа,
можно определить рациональный состав композиционной матрицы породоразрушающего инструмента.
Для определения ожидаемого уровня остаточных напряжений в матрице инструмента можно записать зависимость
где σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений, МПа;
К - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов К=0,86
С учетом коэффициента пропорциональности а формула (2) примет вид:
где а - коэффициент пропорциональности (а =0,85÷0,95);
σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений, МПа;
К - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов К=0,86;
σР - расчетное напряжение, создаваемое в матрице после криогенной обработки, МПа. Оно определяется по методике (В.И. Спирина и Д.М. Левина. Новые направления создания алмазного породоразрушающего инструмента. Тул. гос. ун-т. - Тула, 2000. - 149 с).
где σρ - расчетное напряжение, создаваемое в матрице инструмента, МПа;
αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °С-1;
Tн и Tк - температура начальная и конечная соответственно, °С;
σм, σв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;
Eм, Eв - модуль нормальной упругости материала матрицы и включения соответственно, МПа.
Как видно из формулы (4), основное влияние на уровень формирующихся напряжений оказывает в первую очередь разность начальной и конечной температур, характеризующих термоудар, то есть величина ΔТ, а не собственно значение Tн и Tк температур. Поэтому можно рассматривать термоудар как операцию, которую возможно проводить в любом температурном диапазоне как в области криогенных температур, так и при температурах выше комнатных. Главное условие, обеспечивающее результативность термоудара - достаточная величина температурного перепада ΔТ. С учетом этого запишем формулу (4) в виде
где σρ - расчетное напряжение, создаваемое в матрице инструмента, МПа;
αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °C-1;
Tн и Tк - температура начальная и конечная соответственно, °C;
νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;
Eм, Eв - модуль нормальной упругости материала матрицы и включения соответственно, МПа.
Подставив формулу (2) в выражение (5), получим
где σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице инструмента, МПа;
a - коэффициент пропорциональности (a=0,85÷0,95);
К - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в матрице инструмента для твердосплавных элементов К=0,36, а для алмазов К=0,31;
αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения вещества матрицы и включения (алмаза или твердого сплава), °C-1;
ΔТ - разница начальной и конечной температур, °C;
νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включения соответственно;
Eв, Eм - модуль нормальной упругости материала включения и матрицы соответственно, МПа.
Таким образом, в результате комплексного термоудара охлаждение от начальной (повышенной) температуры до конечной (комнатной) температуры и криогенной обработки (резкое охлаждение (закалка) от комнатной температуры до -196° и выдержкой в течение 16-20 минут в матрице инструмента формируются напряжения сжатия, что приводит к повышению удерживающей способности не только за счет сил адгезии, но и вследствие механического удержания окружающими объемами связей.
Способ осуществляется следующим образом: формирует матрицу, содержащую породоразрушающие элементы в виде алмаза или твердого сплава, в графитовой форме, прессуют ее корпусом инструмента, внутрь которого помещают медно-никелевую связку. Спрессованный инструмент нагревают на печи ТВЧ до температуры пропитки и производят горячее прессование, после чего инструмент охлаждают на воздухе до температуры 350°C с изометрической выдержкой при этой температуре 10-15 минут. Затем инструмент освобождают от графитовой формы и погружают в воду, имеющую комнатную температуру, с выдержкой до принятия температуры воды. После чего инструмент подвергают сушке, а затем погружают в жидкий азот при температуре его кипения с выдержкой 16-20 минут и повышают температуру до комнатной, сушат инструмент и подвергают его механической обработке.
По этому способу изготовлена опытная партия коронок в ОАО «Тульское НИГП», которая испытана путем бурения плановых скважин в производственных условиях Центрально-Кольской экспедиции. При этом установлено, что применение алмазных коронок, изготовленных по данному изобретению, позволяет повысить по сравнению с базовыми коронками стойкость породоразрушающего инструмента на 20-40% и механическую скорость бурения на 25-30%.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в повышении стойкости инструмента на 20-40% и механической скорости бурения на 25-30%.
Claims (1)
- Способ изготовления породоразрушающего инструмента, включающий формирование в графитовой форме композиционной матрицы инструмента, содержащей включения в виде алмаза или твердого сплава, прессование ее корпусом инструмента, нагрев спрессованного инструмента до температуры пропитки с горячим прессованием, охлаждение инструмента на воздухе до 350°C, погружение инструмента после снятия графитовой формы в воду комнатной температуры и последующую сушку, отличающийся тем, что после сушки проводят закалку инструмента криогенной обработкой путем погружения его в жидкий азот и выдержкой в нем 16-20 минут, при этом формирование композиционной матрицы в графитовой форме осуществляют с учетом ожидаемого уровня остаточных напряжений в инструменте после криогенной обработки, определяемого по следующей зависимости:
где σ0 - ожидаемый уровень остаточных напряжений в матрице инструмента, МПа;
a - коэффициент пропорциональности, равный 0,85÷0,95;
K - коэффициент, отражающий степень развития процессов релаксации напряжений в композиционной матрице, причем для матрицы, содержащей включения в виде твердого сплава, K=0,36, а для матрицы, которая содержит включения в виде алмазов, K=0,31;
αм, αв - термические коэффициенты линейного расширения материала матрицы и материала включений, °C-1;
ΔТ - разница между начальной температурой инструмента перед криогенной обработкой, равной 350°C, и конечной температурой криогенной обработки, равной -196°C, °C;
νм, νв - коэффициент Пуассона материалов матрицы и включений;
Eм, Eв - модуль нормальной упругости материала матрицы и включений, МПа.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013144361/02A RU2566252C2 (ru) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | Способ изготовления породоразрушающего инструмента |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013144361/02A RU2566252C2 (ru) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | Способ изготовления породоразрушающего инструмента |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013144361A RU2013144361A (ru) | 2015-04-10 |
RU2566252C2 true RU2566252C2 (ru) | 2015-10-20 |
Family
ID=53282434
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013144361/02A RU2566252C2 (ru) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | Способ изготовления породоразрушающего инструмента |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2566252C2 (ru) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107937784B (zh) * | 2017-12-08 | 2020-03-10 | 吉林大学 | 一种金刚石复合材料的深冷处理方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2145916C1 (ru) * | 1998-08-07 | 2000-02-27 | Чеховой Анатолий Николаевич | Способ изготовления твердосплавных металлокерамических изделий (варианты) |
RU2202444C2 (ru) * | 2001-03-26 | 2003-04-20 | Федеральное государственное унитарное Научно-исследовательское геологическое предприятие "Тульское НИГП" | Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента |
WO2003049889A3 (en) * | 2001-12-05 | 2003-12-04 | Baker Hughes Inc | Consolidated hard materials, methods of manufacture, and applications |
UA72835C2 (en) * | 2003-07-22 | 2005-04-15 | Close Joint Stock Company Mine | Method for manufacture of hardalloyed tool (variants) |
-
2013
- 2013-10-02 RU RU2013144361/02A patent/RU2566252C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2145916C1 (ru) * | 1998-08-07 | 2000-02-27 | Чеховой Анатолий Николаевич | Способ изготовления твердосплавных металлокерамических изделий (варианты) |
RU2202444C2 (ru) * | 2001-03-26 | 2003-04-20 | Федеральное государственное унитарное Научно-исследовательское геологическое предприятие "Тульское НИГП" | Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента |
WO2003049889A3 (en) * | 2001-12-05 | 2003-12-04 | Baker Hughes Inc | Consolidated hard materials, methods of manufacture, and applications |
UA72835C2 (en) * | 2003-07-22 | 2005-04-15 | Close Joint Stock Company Mine | Method for manufacture of hardalloyed tool (variants) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013144361A (ru) | 2015-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Li et al. | Deformation and recrystallization of single crystal nickel-based superalloys during investment casting | |
US9746403B2 (en) | Method of testing a polycrystalline diamond compact cutter | |
Ogilvy et al. | On the indentation fracture of cemented carbide part 1—Survey of operative fracture modes | |
US20230201921A1 (en) | Producing hydro-efflux hammer using catalyst-free pdc cutters | |
Yu et al. | Modeling wear process of electroplated CBN grinding wheel | |
RU2566252C2 (ru) | Способ изготовления породоразрушающего инструмента | |
CN104148652B (zh) | 一种金刚石节块的制备方法 | |
Chen et al. | Constitutive modeling for elevated temperature flow behavior of 30Cr2Ni4MoV ultra-super-crical rotor steel | |
EP2570794A2 (en) | Thermal-mechanical wear testing for pdc shear cutters | |
CN105784482A (zh) | 一种评价油井水泥石弹性的方法 | |
US9539700B2 (en) | High temperature high heating rate treatment of PDC cutters | |
CN108425035B (zh) | Pdc钻头浸渍合金及其制备方法 | |
WO2017015311A1 (en) | Cutting elements with impact resistant diamond body | |
CN103332926A (zh) | 一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料、制备工艺及评价方法 | |
JP6253140B2 (ja) | 六方晶窒化タングステン系焼結体の製造方法 | |
RUZBARSKY | ORIGIN AND SPREADING OF CRACKS DUE TO THERMAL FATIGUE IN CASE OF METAL MOLDS. | |
SEDLAK et al. | RESIDUAL STRESS WHEN FACE MILLING ALUMINIUM ALLOYS. | |
Zhang et al. | Experimental and simulation studies on temperature field of 40Cr steel surface layer in grind-hardening | |
Abtahi | Bit wear analysis and optimization for vibration assisted rotary drilling (VARD) using impregnated diamond bits | |
RU2202444C2 (ru) | Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента | |
US8741010B2 (en) | Method for making low stress PDC | |
Kuftyrev et al. | Wear resistance of polycrystalline diamond cutters for drill bits | |
Zhang et al. | LCF behavior and life prediction method of a single crystal nickel-based superalloy at high temperature | |
Jesner et al. | Damage mechanisms in materials for cold forging dies under loading conditions typical for dies | |
Martinkovic et al. | Optimization and verification of warm forging temperature of steel |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151229 |