RU2781827C2

RU2781827C2 - Insert for drilling tool

Info

Publication number: RU2781827C2
Application number: RU2020131592A
Authority: RU
Inventors: Мирьям ЛИЛЬЯ; СИФРЕ Хосе Мария ТАРРАГО; Ида БОРГ; Малин МОРТЕНССОН; Иоаннис АРВАНИТИДИС; Кристоф ТУРВА
Original assignee: Сандвик Майнинг Энд Констракшн Тулз Аб
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2022-10-18

Abstract

FIELD: drilling.

SUBSTANCE: group of inventions relates to an insert for a drilling tool and a drill bit, in which a case includes one or more of the mentioned inserts. The insert for the drilling tool is made of a hard alloy, which includes solid components of tungsten carbide (hereinafter – WC) in a binding phase Ni-Cr or Ni-Co-Cr. The hard alloy includes 3.5-18 wt.% of the binding phase containing >0 wt.% of Ni, the mass ratio of Cr/(Ni+Co) is 0.02-0.19, and WC and impurities are the rest. The difference between hardness at depth of 0.3 mm from the surface at any point of the insert for the drilling tool and the minimal hardness of the main weight of the insert for the drilling tool at depth of 4.8 mm from its surface is at least 20 HV3.

EFFECT: insert for a drilling tool is provided, having improved corrosion resistance, increased wear resistance, and increased impact strength.

15 cl, 10 dwg, 7 tbl, 8 ex

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к вставке для бурового инструмента, содержащей корпус, выполненный из цементированного карбида на основе WC-Ni-Cr или WC-Ni-Co-Cr, в которой имеется значительный градиент твердости вблизи поверхности корпуса из цементированного карбида.The present invention relates to a drilling tool insert comprising a WC-Ni-Cr or WC-Ni-Co-Cr based cemented carbide body in which there is a significant hardness gradient near the surface of the cemented carbide body.

Уровень техникиState of the art

Бурение горных пород представляет собой область техники, в которой вставки, используемые для бурения горной породы, подвергаются как суровым коррозионным условиям, так и повторяющимся ударам из-за характера бурения. Различные способы бурения приводят к различным ударным нагрузкам на вставки. Особенно тяжелые условия ударов встречаются в таких областях применения, где вставки для бурового инструмента устанавливают в корпусе бурового долота наземного пневмоударника (НПУ), устройства бурения с погружным пневмударником (ППУ) или устройства вращательного бурения.Rock drilling is a field of engineering in which inserts used to drill rock are subjected to both severe corrosive conditions and repeated impact due to the nature of the drilling. Different drilling methods result in different impact loads on the inserts. Particularly severe impact conditions are found in applications where drilling tool inserts are installed in the drill bit body of a ground hammer (DTH), a downhole drilling device (DTH), or a rotary drilling device.

Традиционно вставки для бурового инструмента могут состоять из корпуса, выполненного из цементированного карбида, который содержит твердые составляющие из карбида вольфрама (WC) в связующей фазе кобальта (Со). Однако существуют причины для обеспечения альтернативной связующей фазы, которая позволила бы снизить использование кобальта или даже полностью не содержала кобальт. Причинами этого являются как риск дефицита предложения кобальта на рынке из-за растущего применения в других технических областях, таких как автомобильные аккумуляторы, так и проблемы со здоровьем при обращении с порошком кобальта при производстве цементированного карбида.Traditionally, drilling tool inserts may consist of a case made of cemented carbide, which contains hard constituents of tungsten carbide (WC) in a cobalt (Co) binder phase. However, there are reasons to provide an alternative binder phase that would reduce the use of cobalt, or even completely free of cobalt. The reasons for this are both the risk of a supply shortage of cobalt in the market due to growing applications in other technical areas such as automotive batteries, and health concerns in the handling of cobalt powder in the production of cemented carbide.

Настоящее изобретение является результатом исследований влияния добавок хрома к другим компонентам, образующим цементированный карбид, перед прессованием и спеканием прессованной заготовки. Таким образом, цементированный карбид вставки для бурового инструмента содержит хром в своей связующей фазе.The present invention is the result of studies on the effect of adding chromium to other cemented carbide forming components prior to pressing and sintering the pressed billet. Thus, the cemented carbide of the drilling tool insert contains chromium in its binder phase.

Целью настоящего изобретения является обеспечение вставки для бурового инструмента, которая является улучшенной по сравнению со вставками известного уровня техники из цементированного карбида в том, что обладает улучшенной коррозионной стойкостью, что снижает износ в условиях мокрого бурения. Тем не менее, цементированный карбид должен обладать приемлемой твердостью и пластичностью, чтобы выдерживать повторяющиеся ударные нагрузки, которым он подвергается при эксплуатации. Другими словами, он не должен быть слишком хрупким. Кроме того, целью является обеспечение вставки для горного бура, имеющей как повышенную износостойкость, так и повышенную ударную вязкость, что снижает ранние повреждения и отказы от изгибающих нагрузок. Помимо этого целью изобретения является обеспечение вставки для бурового инструмента, содержащей связующую фазу, в которой кобальт частично или полностью заменен, с хорошими техническими характеристиками при бурении горных пород.It is an object of the present invention to provide a drilling tool insert that is improved over prior art cemented carbide inserts in that it has improved corrosion resistance that reduces wear in wet drilling conditions. However, the cemented carbide must have acceptable hardness and ductility to withstand the repeated shock loads it is subjected to in service. In other words, it should not be too fragile. Furthermore, it is an object to provide a rock drill insert having both improved wear resistance and improved toughness, which reduces early damage and failure from bending loads. In addition, it is an object of the invention to provide a drilling tool insert containing a binder phase in which the cobalt is partly or completely replaced, with good rock drilling performance.

В данном документе под термином «основная масса» подразумевают цементированный карбид внутренней (центральной) части вставки для бурового инструмента.In this document, the term "base mass" refers to the cemented carbide of the inner (central) part of the drilling tool insert.

Краткое описание изобретенияBrief description of the invention

Цели изобретения достигают с помощью вставки для бурового инструмента, полученной из цементированного карбида, который включает твердые составляющие из карбида вольфрама (WC) в связующей фазе Ni-Cr или Ni-Co-Cr и остальное WC и неизбежные примеси, причем цементированный карбид включает 3,5-18 масс. % связующей фазы, связующая фаза включает >0 масс. % Ni, массовое отношение Cr/(Ni+Co) составляет 0,02-0,19, разница между твердостью на глубине 0,3 мм в точке поверхности вставки для бурового инструмента и минимальной твердостью основной массы вставки для бурового инструмента составляет по меньше мере 30 HV3.The objects of the invention are achieved by a drilling tool insert made of cemented carbide, which includes hard constituents of tungsten carbide (WC) in a Ni-Cr or Ni-Co-Cr binder phase and the rest WC and unavoidable impurities, the cemented carbide comprising 3, 5-18 wt. % binder phase, the binder phase includes >0 wt. % Ni, the mass ratio of Cr/(Ni+Co) is 0.02-0.19, the difference between the hardness at a depth of 0.3 mm at the surface point of the drilling tool insert and the minimum hardness of the bulk of the drilling tool insert is at least 30 HV3.

Вставку для бурового инструмента по настоящему изобретению получают способом, в котором порошок, включающий элементы цементированного карбида, измельчают и прессуют с получением прессованной заготовки, которую затем спекают. Обычно осуществляют стадию шлифования для получения точного размера вставки для бурового инструмента. Вставка для бурового инструмента по настоящему изобретению обычно содержит цилиндрическую основную часть и закругленную верхнюю часть, которая может быть полусферической, конической или асимметричной. Как правило, криволинейную поверхность цилиндрической основной части шлифуют с получением точного требуемого диаметра, в то время как поверхности верхней части и круглой основной части сохраняют в состоянии, полученном после спекания. Затем вставку для бурового инструмента подвергают последующей обработке, например, специальному способу высокоэнергетического колебательного столкновения, с помощью которого в ней создают высокие уровни напряжений сжатия.The drilling tool insert of the present invention is produced by a method in which a powder including cemented carbide elements is pulverized and pressed to form a pressed billet, which is then sintered. Usually, a grinding step is carried out to obtain the exact size of the insert for the drilling tool. The drilling tool insert of the present invention typically comprises a cylindrical main body and a rounded top which may be hemispherical, conical, or asymmetric. Generally, the curved surface of the cylindrical body is ground to the exact required diameter, while the surfaces of the top and the round body are kept in the state obtained after sintering. The drilling tool insert is then subjected to post-treatment, such as a special high-energy oscillatory collision process, which places high levels of compressive stresses in it.

Неожиданно было обнаружено, что совокупный эффект создания напряжений сжатия и упрочнения связующего проявляется особенно сильно для хромсодержащих вставок как в ходе предварительной обработки в способе высокоэнергетического колебательного столкновения, так и в ходе непосредственно бурения. Таким образом, вставки для бурового инструмента на основе хромосодержащего цементированного карбида по настоящему изобретению обеспечивают более сильное поверхностное упрочнение во время фактического бурения, чем вставки для бурового инструмента из цементированного карбида, не содержащие хром.Surprisingly, it was found that the combined effect of creating compressive stresses and hardening of the binder is especially strong for chromium-containing inserts, both during pre-treatment in the high-energy oscillatory collision process, and during direct drilling. Thus, the chromium-containing cemented carbide drilling tool inserts of the present invention provide stronger surface hardening during actual drilling than the chromium-free cemented carbide drilling tool inserts.

В результате снижается износ и повышается устойчивость к повреждению вставки при ее эксплуатации. Кроме того, добавление Cr приводит к повышению коррозионной стойкости связующей фазы, что снижает износ в условиях мокрого бурения.As a result, wear is reduced and resistance to damage of the insert is increased during its operation. In addition, the addition of Cr leads to an increase in the corrosion resistance of the binder phase, which reduces wear in wet drilling conditions.

Если массовое отношение Cr/(Ni+Co) слишком низкое, то указанные положительные эффекты Cr будут слишком малы. Если же, с другой стороны, массовое отношение Cr/(Ni+Co) слишком велико, то будет происходить образование карбидов хрома, в которых растворяется элемент связующей фазы никель или элементы связующей фазы никель и кобальт, в результате чего количество связующей фазы значительно снижается и цементированный карбид становится слишком хрупким.If the mass ratio Cr/(Ni+Co) is too low, then these positive effects of Cr will be too small. If, on the other hand, the mass ratio Cr/(Ni+Co) is too high, then chromium carbides will be formed, in which the binder phase element nickel or the binder phase elements nickel and cobalt are dissolved, as a result of which the amount of the binder phase is significantly reduced and cemented carbide becomes too brittle.

Размер зерна WC выбирают в соответствии с требуемыми конечными свойствами цементированного карбида с точки зрения, например, теплопроводности и отсутствия хрупкости цементированного карбида.The WC grain size is selected according to the desired end properties of the cemented carbide in terms of, for example, thermal conductivity and non-brittleness of the cemented carbide.

В соответствии с одним воплощением средний размер зерна WC составляет более 1 мкм, или более 1,25 мкм, или более 1,5 мкм, или более 1,75 мкм, или более 2,0 мкм. Если размер зерна WC слишком мал, материал будет слишком твердым и хрупким для бурения горных пород. С другой стороны, если размер зерна WC слишком велик, одним из недостатков является то, что материал трудно поддается спеканию. Поэтому предпочтительно средний размер зерна WC составляет менее 18 мкм, или менее 15 мкм, или менее 10 мкм, или менее 5 мкм. Средний размер зерна WC определяют способом, описанным в данном документе в разделе примеров.According to one embodiment, the average WC grain size is greater than 1 μm, or greater than 1.25 μm, or greater than 1.5 μm, or greater than 1.75 μm, or greater than 2.0 μm. If the WC grain size is too small, the material will be too hard and brittle for rock drilling. On the other hand, if the WC grain size is too large, one disadvantage is that the material is difficult to sinter. Therefore, preferably the average WC grain size is less than 18 μm, or less than 15 μm, or less than 10 μm, or less than 5 μm. The average grain size WC is determined by the method described in this document in the examples section.

В одном воплощении цементированный карбид включает от 3,5 до 15 масс. % связующей фазы или от 4 до 12 масс. % связующей фазы.In one embodiment, the cemented carbide comprises 3.5 to 15 wt. % binder phase or from 4 to 12 wt. % binder phase.

В одном воплощении связующая фаза Ni-Co-Cr включает >0 масс. % Ni, или >25 масс. % Ni, или >50 масс. % Ni, или >75 масс. % Ni.In one embodiment, the Ni-Co-Cr binder phase comprises >0 wt. % Ni, or >25 wt. % Ni, or >50 wt. % Ni, or >75 wt. % Ni.

В одном воплощении связующая фаза Ni-Co-Cr включает >0 масс. % Ni, и >25 масс. % Со, или >50 масс. % Со, или >75 масс. % Со.In one embodiment, the Ni-Co-Cr binder phase comprises >0 wt. % Ni, and >25 wt. % Co, or >50 wt. % Co, or >75 wt. % Co.

В одном воплощении связующая фаза представляет собой связующую фазу из Ni-Cr.In one embodiment, the binder phase is a Ni-Cr binder phase.

В соответствии с предпочтительным воплощением, массовое отношение Cr/(Ni+Co) составляет от 0,04 до 0,19.According to a preferred embodiment, the weight ratio Cr/(Ni+Co) is from 0.04 to 0.19.

В соответствии с другим предпочтительным воплощением, массовое отношение Cr/(Ni+Co) составляет от 0,075 до 0,15.According to another preferred embodiment, the weight ratio Cr/(Ni+Co) is from 0.075 to 0.15.

В соответствии с еще одним предпочтительным воплощением, массовое отношение Cr/(Ni+Co) составляет от 0,085 до 0,15.According to another preferred embodiment, the weight ratio Cr/(Ni+Co) is from 0.085 to 0.15.

В соответствии с еще одним предпочтительным воплощением, массовое отношение Cr/(Ni+Co) составляет от 0,085 до 0,12.According to another preferred embodiment, the weight ratio Cr/(Ni+Co) is from 0.085 to 0.12.

Вставка для бурового инструмента по настоящему изобретению соответственно содержит Cr по всему объему вставки для горного бура. Таким образом, массовое отношение Cr/(Ni+Co), определенное в данном документе, является соответственно по существу одинаковым и присутствует во всей вставке для бурового инструмента, в том числе и в основной массе.The drilling tool insert of the present invention suitably contains Cr throughout the entire volume of the rock drill insert. Thus, the Cr/(Ni+Co weight ratio) defined herein is accordingly substantially the same and is present in the entire drilling tool insert, including the bulk.

Когда связующая фаза представляет собой Ni-Cr, т.е. в отсутствие Со, то выражение «массовое отношение Cr/(Ni+Co)», используемое в настоящем документе эквивалентно выражению «массовое отношение Cr/Ni».When the binder phase is Ni-Cr, i.e. in the absence of Co, the expression "weight ratio Cr/(Ni+Co)" as used herein is equivalent to the expression "weight ratio Cr/Ni".

Даже в том случае, когда Cr в значительной степени растворен в связующей фазе, некоторое количество нерастворенных карбидов хрома, обычно добавляемых в виде Cr₃C₂ в процессе получения, может оставаться в цементированном карбиде. Можно допустить содержание карбидов хрома в цементированном карбиде вплоть до 3 масс. %, предпочтительно до 2 масс. %, более предпочтительно до 1 масс. %, (в виде добавленных карбидов или Cr₃C₂). Это означает, что в одном воплощении цементированный карбид содержит вплоть до 3 масс. %, предпочтительно до 2 масс. %, более предпочтительно до 1 масс. % карбидов хрома (в виде добавленных карбидов или Cr₃C₂). Если они присутствуют, то средний размер зерна карбидов хрома (в виде добавленных карбидов или Cr₃C₂) предпочтительно составляет менее 1 мкм.Even when Cr is largely dissolved in the binder phase, some undissolved chromium carbides, usually added as Cr ₃ C ₂ during production, may remain in the cemented carbide. You can allow the content of chromium carbides in cemented carbide up to 3 wt. %, preferably up to 2 wt. %, more preferably up to 1 wt. %, (as added carbides or Cr ₃ C ₂ ). This means that in one embodiment, the cemented carbide contains up to 3 wt. %, preferably up to 2 wt. %, more preferably up to 1 wt. % chromium carbides (as added carbides or Cr ₃ C ₂ ). If present, the average grain size of the chromium carbides (as added carbides or Cr ₃ C ₂ ) is preferably less than 1 µm.

В одном воплощении все добавленные карбиды хрома или Cr₃C₂ растворены в связующей фазе, и спеченный цементированный карбид преимущественно не содержит нерастворе иных карбидов хрома (в виде добавленных карбидов или Cr₃C₂). Предпочтительно, чтобы избежать присутствия таких карбидов хрома, отношение Cr/(Ni+Co) должно быть достаточно низким, для гарантии того, что максимальное содержание хрома не превышает предела растворимости хрома в связующей фазе при температуре 1000°С.In one embodiment, all added chromium carbides or Cr ₃ C ₂ are dissolved in the binder phase and the sintered cemented carbide is advantageously free of other chromium carbides in solution (as added carbides or Cr ₃ C ₂ ). Preferably, to avoid the presence of such chromium carbides, the Cr/(Ni+Co) ratio should be low enough to ensure that the maximum chromium content does not exceed the solubility limit of chromium in the binder phase at 1000°C.

Чтобы избежать образования карбида хрома или графита в связующей фазе, количество добавляемого углерода должно быть на достаточно низком уровне.To avoid the formation of chromium carbide or graphite in the binder phase, the amount of added carbon must be at a sufficiently low level.

Предпочтительно спеченный цементированный карбид не содержит графита и, кроме того, не содержит η-фазы.Preferably, the sintered cemented carbide does not contain graphite and furthermore does not contain the η phase.

В соответствии с еще одним воплощением, в цементированном карбиде присутствует М₇С₃. В данном случае М представляет собой сочетание Cr, Ni, Со (если присутствует) и W, то есть (Cr,Ni,Co,W)₇C₃. Точный баланс Cr:Ni:Co:W определяют по общему содержанию углерода в цементированном карбиде. Отношение Cr/М₇С₃ (Cr в массовых % и М₇С₃ в объемных %) в цементированном карбиде соответственно больше или равно 0,05, или больше или равно 0,1, или больше или равно 0,2, или больше или равно 0,3, или больше или равно 0,4. Отношение Cr/М₇С₃ (Cr в массовых % и М₇С₃ в объемных %) в цементированном карбиде соответственно меньше или равно 0,5, или меньше или равно 0,4. Содержание М₇С₃ определяют в объемных %, поскольку именно так его измеряют на практике. Неожиданно не наблюдали ожидаемых негативных эффектов при бурении горных пород в присутствии М₇С₃. Такими негативными эффектами при бурении горных пород были бы хрупкость цементированного карбида из-за дополнительного карбида, а также снижение ударной вязкости вследствие снижения содержания связующей фазы при образовании М₇С₃. Таким образом, допустимый диапазон содержания углерода при получении цементированного карбида может быть шире, так как можно допустить наличие М₇С₃. Это является большим технологическим преимуществом.According to yet another embodiment, M ₇ C ₃ is present in the cemented carbide. In this case, M is a combination of Cr, Ni, Co (if present) and W, ie (Cr,Ni,Co,W) ₇ C ₃ . The exact balance of Cr:Ni:Co:W is determined by the total carbon content of the cemented carbide. The Cr/M ₇ C ₃ ratio (Cr in wt % and M ₇ C ₃ in vol %) in the cemented carbide is respectively greater than or equal to 0.05, or greater than or equal to 0.1, or greater than or equal to 0.2, or greater or equal to 0.3, or greater than or equal to 0.4. The ratio Cr/M ₇ C ₃ (Cr in mass % and M ₇ C ₃ in volume %) in the cemented carbide is respectively less than or equal to 0.5, or less than or equal to 0.4. The content of M ₇ C ₃ is determined in volume%, since this is how it is measured in practice. Surprisingly, the expected negative effects were not observed when drilling rocks in the presence of M ₇ C ₃ . Such negative effects in rock drilling would be brittleness of the cemented carbide due to additional carbide, as well as a reduction in toughness due to a decrease in the content of the binder phase during the formation of M ₇ C ₃ . Thus, the allowable range of carbon content in the production of cemented carbide can be wider, since the presence of M ₇ C ₃ can be assumed. This is a great technological advantage.

Вставки для бурового инструмента подвергаются воздействию интенсивных ударов в ходе эксплуатации, и традиционно бывшая в эксплуатации вставка для бурового инструмента считается лучше (более жесткой), чем новая, не бывшая в эксплуатации, поскольку деформационное упрочнение и наращивание сжимающих напряжений происходят на поверхности и вблизи поверхности бывшей в эксплуатации вставки, которая действовала при бурении горных пород. Поэтому риск выхода из строя бурового долота для бывшей в эксплуатации вставки ниже по сравнению с новой вставкой. В настоящем изобретении обеспечивают вставку для бурового инструмента, которая уже с самого начала, в качестве новой вставки, показывает большую разницу твердости поверхности вставки для бурового инструмента и ее внутренней части, и вставка для бурового инструмента имеет поверхностную твердость, более сходную с бывшей в эксплуатации вставкой. Поэтому вставка для бурового инструмента в соответствии с настоящим изобретением имеет меньший риск раннего повреждения и разрушения.Drilling tool inserts are subjected to intense shocks during service, and traditionally a used drilling tool insert is considered better (more rigid) than a new, unused one because work hardening and compressive stress build-up occurs at and near the surface of the former. in operation of the insert, which acted when drilling rocks. Therefore, the risk of drill bit failure is lower for a used insert compared to a new insert. In the present invention, a drilling tool insert is provided, which already from the very beginning, as a new insert, shows a large difference in hardness between the surface of the drilling tool insert and its interior, and the drilling tool insert has a surface hardness more similar to the used insert. . Therefore, the drilling tool insert according to the present invention has a lower risk of early damage and failure.

Кроме того, большая разница твердости поверхности вставки для бурового инструмента и ее внутренней части присутствует по всей поверхности и, следовательно, также снижает риск других видов отказов в ходе обработки.In addition, a large difference in hardness between the surface of the drilling tool insert and its interior is present over the entire surface and therefore also reduces the risk of other types of failure during processing.

В еще одном воплощении разница между твердостью на глубине 0,3 мм ниже поверхности в точке поверхности вставки для бурового инструмента и минимальной твердостью основной массы вставки для бурового инструмента составляет по меньшей мере 50 HV3, или по меньшей мере 75 HV3, или по меньшей мере 100 HV3.In another embodiment, the difference between the hardness at a depth of 0.3 mm below the surface at the surface point of the drilling tool insert and the minimum hardness of the bulk of the drilling tool insert is at least 50 HV3, or at least 75 HV3, or at least 100 HV3.

В другом воплощении разница между твердостью на глубине 0,3 мм ниже поверхности в точке вставки для бурового инструмента и твердостью на глубине 1 мм ниже поверхности составляет по меньшей мере 20 HV3, или по меньшей мере 25 HV3, или по меньшей мере 30 HV3, или по меньшей мере 35 HV3.In another embodiment, the difference between the hardness 0.3 mm below the surface at the insertion point for the drilling tool and the hardness 1 mm below the surface is at least 20 HV3, or at least 25 HV3, or at least 30 HV3, or at least 35 HV3.

В одном воплощении разница между средней твердостью на 0,3 мм ниже поверхности вставки для бурового инструмента и средней твердостью в основной массе вставки для бурового инструмента составляет по меньшей мере 20 HV3, или по меньшей мере 30 HV3, или по меньшей мере 40 HV3. Среднюю твердость на глубине 0,3 мм определяют как среднее значение по меньшей мере из 50 измеренных значений твердости на определенной глубине, в местах, равномерно распределенных вокруг вставки.In one embodiment, the difference between the average hardness 0.3 mm below the surface of the drilling tool insert and the average hardness in the bulk of the drilling tool insert is at least 20 HV3, or at least 30 HV3, or at least 40 HV3. The average hardness at a depth of 0.3 mm is determined as the average of at least 50 measured hardness values at a certain depth, in locations evenly distributed around the insert.

В другом воплощении разница между средней твердостью на 0,3 мм ниже поверхности вставки для бурового инструмента и средней твердостью на 1 мм ниже поверхности составляет по меньшей мере 15 HV3, или по меньшей мере 20 HV3, или по меньшей мере 25 HV3. Среднюю твердость на определенной глубине определяют как среднее значение по меньшей мере из 50 измеренных значений твердости на определенной глубине, в местах, равномерно распределенных вокруг вставки.In another embodiment, the difference between the average hardness 0.3 mm below the surface of the drilling tool insert and the average hardness 1 mm below the surface is at least 15 HV3, or at least 20 HV3, or at least 25 HV3. The average hardness at a certain depth is defined as the average of at least 50 measured hardness values at a certain depth, in places evenly distributed around the insert.

В еще одном воплощении разница между твердостью на глубине 0,3 мм ниже поверхности в любой точке вставки для бурового инструмента и минимальной твердостью основной массы вставки для бурового инструмента составляет по меньшей мере 20 HV3, или по меньшей мере 30 HV3, или по меньшей мере 40 HV3.In another embodiment, the difference between the hardness at a depth of 0.3 mm below the surface at any point of the drilling tool insert and the minimum hardness of the bulk of the drilling tool insert is at least 20 HV3, or at least 30 HV3, or at least 40 HV3.

В одном воплощении разница между твердостью на 0,3 мм ниже поверхности в любой точке вставки для бурового инструмента и твердостью на 1 мм ниже поверхности вставки для бурового инструмента составляет по меньшей мере 15 HV3, или по меньшей мере 20 HV3, или по меньшей мере 25 HV3.In one embodiment, the difference between the hardness 0.3 mm below the surface at any point of the drilling tool insert and the hardness 1 mm below the surface of the drilling tool insert is at least 15 HV3, or at least 20 HV3, or at least 25 HV3.

Содержание связующей фазы в цементированном карбиде является по существу одинаковым по всей вставке для бурового инструмента, то есть при переходе от поверхности вставки для бурового инструмента к ее внутренней части существенного градиента элементов связующей фазы (Ni, Со, Cr) не наблюдают. Однако небольшая разница в содержании связующей фазы может проявляться в самой верхней зоне между поверхностью и глубиной до 0,2 мм.The content of the binder phase in the cemented carbide is essentially the same throughout the entire drilling tool insert, i.e., when moving from the surface of the drilling tool insert to its interior, no significant gradient of the elements of the binder phase (Ni, Co, Cr) is observed. However, a slight difference in the content of the binder phase can appear in the uppermost zone between the surface and a depth of up to 0.2 mm.

Вставка для бурового инструмента по изобретению не должна быть подвержена разрушению из-за проблем, связанных с хрупкостью. Таким образом, цементированный карбид вставки для бурового инструмента соответственно имеет твердость основной части не более 1700 HV3, или не более 1650 HV3, или не более 1600 HV3.The drilling tool insert of the invention should not be susceptible to breakage due to brittleness problems. Thus, the cemented carbide of the drilling tool insert suitably has a hardness of the main body of not more than 1700 HV3, or not more than 1650 HV3, or not more than 1600 HV3.

Твердость цементированного карбида зависит от размера зерна WC и содержания связующей фазы. Цементированный карбид вставки для бурового инструмента имеет соответствующую твердость основной массы по меньшей мере 800 HV3, или по меньшей мере 900 HV3, или по меньшей мере 1000 HV3.The hardness of cemented carbide depends on the WC grain size and binder phase content. The cemented carbide insert for the drilling tool has a corresponding basis weight hardness of at least 800 HV3, or at least 900 HV3, or at least 1000 HV3.

В соответствии с одним воплощением вставки для бурового инструмента согласно изобретению устанавливают в корпусе бурового долота устройства с наземным пневмоударником (НПУ), устройства бурения с погружным пневмударником (ППУ) или устройства вращательного бурения, или дискового режущего устройства. Устройство вращательного бурения может представлять собой дисковое режущее устройство для бурения на нефть и газ. Изобретение также относится к устройству для бурения горных пород, в частности, к устройству с наземным пневмоударником (НПУ), устройству бурения с погружным пневмударником (ППУ) или устройству вращательного бурения, или дисковому режущему устройству, а также к применению в таком устройстве вставки для бурового инструмента по изобретению.In accordance with one embodiment, the drilling tool insert of the invention is installed in the drill bit body of a ground hammer (DTH) device, a downhole drilling device (DTH), or a rotary drilling device, or a disc cutting device. The rotary drilling device may be a disk cutting device for oil and gas drilling. The invention also relates to a device for drilling rocks, in particular, to a device with a ground hammer (GTH), a device for drilling with a downhole hammer (DTH) or a rotary drilling device, or a disk cutting device, as well as to the use in such a device of an insert for drilling tool according to the invention.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 2-9 ΔHV3 представляет собой разницу между твердостью (HV3) в определенной позиции и средней твердостью, измеренной в основной части.In FIG. 2-9 ΔHV3 is the difference between the hardness (HV3) at a certain position and the average hardness measured at the body.

На фиг. 1 схематически представлена геометрическая форма вставки для бурового инструмента, используемой при испытаниях.In FIG. 1 is a schematic representation of the geometry of a drilling tool insert used in testing.

На фиг. 2 показана карта HV3 с изолиниями ΔHV3 необработанной (=спеченной) вставки для бурового инструмента, в которой цементированный карбид содержит 5,6 масс. % никеля, но не содержит хрома (образец 1).In FIG. 2 shows an HV3 map with ΔHV3 contours of a raw (=sintered) drilling tool insert in which the cemented carbide contains 5.6 wt. % nickel, but does not contain chromium (sample 1).

На фиг. 3 показана карта HV3 с изолиниями ΔHV3 обработанной способом высокоэнергетического колебательного столкновения (27 мин) вставки для бурового инструмента, в которой цементированный карбид содержит 5,6 масс. % никеля, но не содержит хром (образец 1).In FIG. 3 shows an HV3 map with ΔHV3 contours of a high-energy oscillatory impact (27 min) drilling tool insert in which the cemented carbide contains 5.6 wt. % nickel, but does not contain chromium (sample 1).

На фиг. 4 показана увеличенная карта HV3 с изолиниями ΔHV3 части обработанной способом высокоэнергетического колебательного столкновения (27 мин) вставки для бурового инструмента, в которой цементированный карбид содержит 5,6 масс. % никеля, но не содержит хром (образец 1).In FIG. 4 shows an enlarged HV3 map with ΔHV3 contours of a portion of a high-energy oscillatory impact (27 min) drill insert in which the cemented carbide contains 5.6 wt. % nickel, but does not contain chromium (sample 1).

На фиг. 5 показана карта HV3 с изолиниями ΔHV3 обработанной способом высокоэнергетического колебательного столкновения (60 мин) вставки для бурового инструмента, в которой цементированный карбид содержит 5,6 масс. % никеля, но не содержит хром (образец 1).In FIG. 5 shows an HV3 map with ΔHV3 contours of a high-energy oscillatory impact (60 min) drilling tool insert in which the cemented carbide contains 5.6 wt. % nickel, but does not contain chromium (sample 1).

На фиг. 6 показана карта HV3 с изолиниями ΔHV3 необработанной вставки для бурового инструмента, в которой цементированный карбид содержит 4,9 масс. % никеля и 0,5 масс. % хрома (образец 2).In FIG. 6 shows an HV3 map with ΔHV3 contours of a raw drilling tool insert in which the cemented carbide contains 4.9 wt. % nickel and 0.5 wt. % chromium (sample 2).

На фиг. 7 показана карта HV3 с изолиниями ΔHV3 обработанной способом высокоэнергетического колебательного столкновения (27 мин) вставки для бурового инструмента, в которой цементированный карбид содержит 4,9 масс. % никеля и 0,5 масс. % хрома (образец 2).In FIG. 7 shows an HV3 map with ΔHV3 contours of a high-energy oscillatory impact (27 min) drilling tool insert in which the cemented carbide contains 4.9 wt. % nickel and 0.5 wt. % chromium (sample 2).

На фиг. 8 показана увеличенная карта HV3 с изолиниями ΔHV3 части обработанной способом высокоэнергетического колебательного столкновения (27 мин) вставки для бурового инструмента, в которой цементированный карбид содержит 4,9 масс. % никеля и 0,5 масс. % хрома (образец 2).In FIG. 8 shows an enlarged HV3 map with ΔHV3 contours of a portion of a high-energy oscillatory impact (27 min) drill insert in which the cemented carbide contains 4.9 wt. % nickel and 0.5 wt. % chromium (sample 2).

На фиг. 9 показана увеличенная карта HV3 с изолиниями ΔHV3 обработанной способом высокоэнергетического колебательного столкновения (60 мин) вставки для бурового инструмента, в которой цементированный карбид содержит 4,9 масс. % никеля и 0,5 масс. % хрома (образец 2).In FIG. 9 shows an enlarged HV3 map with ΔHV3 contours of a high-energy oscillatory impact (60 min) drilling tool insert in which the cemented carbide contains 4.9 wt. % nickel and 0.5 wt. % chromium (sample 2).

На фиг. 10 представлен схематический чертеж схемы проведения испытания с маятниковым копром (см. пример 4).In FIG. 10 is a schematic drawing of a pendulum impact test setup (see example 4).

ПримерыExamples

Сравнительный пример 1. Цементированный карбид на основе Ni, не содержащий CrComparative Example 1 Ni-Based Cr-Free Cemented Carbide

В качестве первого используемого материала получали материал, в котором использовали цементированный карбид с 5,6 масс. % Ni, остальное WC, в соответствии с установленными способами цементирования карбида. Порошки WC, Ni и W измельчали в шаровой мельнице с мелющими телами из цементированного карбида. Размер зерен порошка WC, измеренный как средний размер частиц по Фишеру (FSSS), перед измельчением составлял от 5 до 8 мкм. Измельчение проводили во влажных условиях с использованием 92% этанола с добавлением 2 масс. % полиэтиленгликоля (PEG 8000) в качестве органического связующего. После измельчения суспензию подвергали распылительной сушке в атмосфере N₂. Заготовки требуемой формы получали одноосным прессованием и спекали с использованием Sinter-HIP в атмосфере аргона при давлении 5,5 МПа (55 бар) и температуре 1500°С в течение 1 часа. Данный материал обозначен как образец 1.As the first material used, a material was obtained in which a cemented carbide with 5.6 wt. % Ni, the rest WC, in accordance with the established methods of cementing carbide. WC, Ni, and W powders were ground in a ball mill with cemented carbide grinding bodies. The grain size of the WC powder, measured as Fischer Average Particle Size (FSSS), before milling was 5 to 8 µm. Grinding was carried out in humid conditions using 92% ethanol with the addition of 2 wt. % polyethylene glycol (PEG 8000) as an organic binder. After grinding, the suspension was subjected to spray drying in an atmosphere of N ₂ . Preforms of the desired shape were obtained by uniaxial pressing and sintered using Sinter-HIP in an argon atmosphere at a pressure of 5.5 MPa (55 bar) and a temperature of 1500°C for 1 hour. This material is designated sample 1.

Пример 2 по изобретению. Цементированный карбид на основе Ni с CrExample 2 according to the invention. Ni Based Cemented Carbide with Cr

В качестве второго используемого материала получали материал цементированный карбид с 4,9 масс. % Ni, 0,5 масс. % Cr, а остальное WC, в соответствии с установленными способами цементирования карбида. Порошки WC, Ni, Cr₃C₂ и W измельчали в шаровой мельнице. Размер зерен порошка WC, измеренный как FSSS, перед измельчением составлял от 5 до 8 мкм. Измельчение проводили во влажных условиях с использованием этанола с добавлением 2 масс. % полиэтиле нгликоля (PEG 8000) в качестве органического связующего (добавка прессования) и мелющих тел из цементированного карбида. После измельчения суспензию подвергали распылительной сушке в атмосфере N₂. Заготовки требуемой формы получали одноосным прессованием и спекали с использованием Sinter-HIP в атмосфере аргона при давлении 5,5 МПа (55 бар) и температуре 1500°С в течение 1 часа.As the second material used, a cemented carbide material was obtained with 4.9 wt. % Ni, 0.5 wt. % Cr, and the rest WC, in accordance with the established methods of cementing carbide. Powders of WC, Ni, Cr ₃ C ₂ and W were ground in a ball mill. The grain size of the WC powder, measured as FSSS, was 5 to 8 µm before grinding. Grinding was carried out in humid conditions using ethanol with the addition of 2 wt. % polyethylene glycol (PEG 8000) as an organic binder (compression additive) and cemented carbide grinding media. After grinding, the suspension was subjected to spray drying in an atmosphere of N ₂ . Preforms of the desired shape were obtained by uniaxial pressing and sintered using Sinter-HIP in an argon atmosphere at a pressure of 5.5 MPa (55 bar) and a temperature of 1500°C for 1 hour.

Данный материал обозначен как образец 2.This material is designated as sample 2.

Подробная информация о спеченном материале приведена в таблице 1.Details of the sintered material are shown in Table 1.

Размер зерен WC спеченных образцов 1-2 Средние размеры зерен WC спеченных материалов (образец 1 и образец 2) в соответствии с примерами 1-2 определяли по микрофотографиям сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), показывающим представительные поперечные сечения материалов. Заключительную стадию подготовки образца осуществляли посредством полировки алмазной пастой с размером частиц 1 мкм на мягкой ткани с последующим травлением раствором Мураками. Микрофотографии СЭМ получали с помощью электронного детектора обратного рассеяния (ДОР) при ускоряющем напряжении 15 кВ и рабочем расстоянии 10 мм. Используемые увеличения составляли 3000 х для материалов образца 1 и 4000 х для образца 2.WC Grain Size of Sintered Samples 1-2 The average WC grain sizes of the sintered materials (sample 1 and sample 2) according to Examples 1-2 were determined from scanning electron microscope (SEM) micrographs showing representative cross sections of the materials. The final stage of sample preparation was carried out by polishing with diamond paste with a particle size of 1 μm on a soft cloth, followed by etching with Murakami's solution. SEM micrographs were obtained using an electronic backscattering detector (EDD) at an accelerating voltage of 15 kV and a working distance of 10 mm. The magnifications used were 3000x for sample 1 materials and 4000x for sample 2.

Средний размер зерен WC оценивали с помощью метода Джеффриса, описанного ниже, по меньшей мере на двух разных микрофотографиях для каждого материала. Затем рассчитывали среднее значение из усредненных значений размера зерен, полученных на отдельных микрофотографиях (для каждого материала соответственно). Процедура оценки среднего размера зерна с применением модифицированного метода Джеффриса заключалась в следующем.The average WC grain size was estimated using the Jeffreys method described below on at least two different photomicrographs for each material. Then, the average value was calculated from the average grain sizes obtained on individual micrographs (for each material, respectively). The procedure for estimating the average grain size using the modified Jeffreys method was as follows.

На микрофотографии СЭМ выбирали прямоугольную рамку подходящего размера таким образом, чтобы в ней вмещалось минимум 300 зерен WC. Зерна внутри рамки и те, которые пересекаются с рамкой, подсчитывают вручную, и получают средний размер зерна из уравнений (1-3):In the SEM micrograph, a rectangular frame of a suitable size was chosen so that it contained at least 300 WC grains. The grains inside the frame and those that intersect with the frame are counted manually, and the average grain size is obtained from equations (1-3):

где d=средний размер зерна WC (мкм)where d=average WC grain size (µm)

L₁, L₂=длина сторон рамки (мм)L ₁ , L ₂ = length of the sides of the frame (mm)

М=увеличениеM=increase

L_{scale mm}=измеренная длина масштабной линейки на микрофотографии в ммL _{scale mm} = measured length of the scale bar on the micrograph in mm

L_{scale micro}=фактическая длина масштабной линейки относительно увеличения (мкм)L _{scale micro} = actual scale bar length relative to magnification (µm)

n₁=количество зерен, находящихся полностью внутри рамкиn ₁ = number of grains completely inside the frame

n₂=количество зерен, пересекаемых границей рамки масс. % Со=известное содержание кобальта в масс. %.n ₂ =number of grains intersected by the border of the mass frame. % Co=known content of cobalt in mass. %.

Уравнение (2) используют для оценки доли WC на основе известного содержания Со в материале. Затем на основе уравнения (3) получают средний размер зерна WC из отношения общей площади WC в рамке к числу содержащихся в нем зерен. Уравнение (3) также включает поправочный коэффициент, компенсирующий тот факт, что в случайном 2 D сечении не все зерна видны в сечении через их максимальный диаметр.Equation (2) is used to estimate the proportion of WC based on the known Co content of the material. Then, based on equation (3), the average WC grain size is obtained from the ratio of the total area of WC in the frame to the number of grains contained therein. Equation (3) also includes a correction factor to compensate for the fact that in a random 2D section, not all grains are visible in the section through their maximum diameter.

В таблице 2 приведены средние значения размера зерен WC, полученные для материалов в соответствии с примерами 1-2 (образец 1 и образец 2) с помощью описанного выше метода.Table 2 shows the average WC grain sizes obtained for materials according to examples 1-2 (sample 1 and sample 2) using the method described above.

Пример 3. Вставки для бурового инструмента и их обработка Изготавливали вставки для бурового инструмента из материала, соответствующего описанию в примерах 1 и 2 соответственно. Вставки имели внешний диаметр (OD) 10,0 мм и высоту 16,6 мм при массе каждой приблизительно 16,6 г и включали сферический купол («режущую кромку»). Обратную часть вставок шлифовали, но оставляли купол и нижнюю часть в спеченном состоянии. Некоторые из вставок были обработаны с использованием способа, который лучше всего можно описать как способ высокоэнергетического колебательного столкновения, далее называемый Е-способ. Используемое оборудование представляет собой серийно выпускаемый шейкер для смешивания красок под торговой маркой Corob™ Simple Shake 90 с максимальной загрузкой 40 кг и максимальной частотой встряхивания 65 Гц. Е-способ основан на быстром колебательном движении закрытого контейнера, заполненного вставками или сочетанием вставок и галтовочных тел, при этом контейнеру многократно придают максимальное ускорение обычно до 8,8 g при частоте встряхивания 45 Гц, где g=9,81 м/с². Колебательное движение происходит преимущественно по оси z, т.е. по вертикальной оси, с амплитудой в несколько сантиметров, и одновременном движении меньшей интенсивности по оси у в горизонтальной плоскости. Вставки приводят в движение посредством ударов о стенки движущегося контейнера и последующих ударов о другие вставки и галтовочные тела. Высокая частота изменения вектора скорости (т.е. частые резкие изменения направления движения) приводит к большому количеству высокоэнергетических столкновений вставок в единицу времени. Такое характерное свойство Е-способа позволяет получить требуемый эффект в обработанных вставках уже после очень коротких периодов времени обработки.Example 3 Drilling Tool Inserts and Their Processing Drilling tool inserts were made from a material as described in Examples 1 and 2, respectively. The inserts had an outer diameter (OD) of 10.0 mm and a height of 16.6 mm, each weighing approximately 16.6 g, and included a spherical dome ("cutting edge"). The reverse part of the inserts was polished, but the dome and the lower part were left in a sintered state. Some of the inserts were processed using a method that can best be described as a high-energy oscillatory collision method, hereinafter referred to as the E-method. The equipment used is a commercially available branded Corob™ Simple Shake 90 paint mixing shaker with a maximum load of 40 kg and a maximum shaking frequency of 65 Hz. The E-method is based on the rapid oscillatory movement of a closed container filled with inserts or a combination of inserts and tumbling bodies, while the container is repeatedly given maximum acceleration, usually up to 8.8 g at a shaking frequency of 45 Hz, where g=9.81 m/s ² . The oscillatory motion occurs predominantly along the z axis, i.e. along the vertical axis, with an amplitude of several centimeters, and a simultaneous movement of lesser intensity along the y-axis in the horizontal plane. The inserts are driven by impacts against the walls of the moving container and subsequent impacts against other inserts and tumbling bodies. A high rate of change in the velocity vector (i.e., frequent abrupt changes in direction of motion) leads to a large number of high-energy collisions of inserts per unit time. This characteristic property of the E-method makes it possible to obtain the desired effect in the processed inserts already after very short processing times.

Программа, используемая для обработки вставок Е-способом, соответствовала частоте встряхивания 45 Гц. От 5 до 20 вставок для бурового инструмента помещали в жесткий и термостойкий пластиковый контейнер с двойными крышками, имеющий размеры 133 мм в высоту и 122 мм в диаметре, вместе с 4,5 кг тел (твердосплавные гранулы со сферическими верхней частью и нижней частью и обратной частью между ними; общая высота составляет 6,95 мм, высота обратной части 3,22 мм и диаметр обратной части составляет 6,67 мм, изготовлены из сплава Sandvik grade H10F, и масса каждой гранулы составляет приблизительно 3 г) и холодной водой объемом от 1 до 2 дл для охлаждения. Высота заполнения в контейнерах составляла приблизительно 1/2 и не превосходила 3/4. От одного до четырех контейнеров автоматически зажимали и затем начинали встряхивать. Используемая частота составляла 45 Гц, и время встряхивания составляло 27 мин для одних вставок и 60 мин для других вставок. Для предотвращения чрезмерного нагревания и плавления контейнеров необходимо было осуществлять охлаждение контейнеров через 9 мин в ходе обработки.The program used to process the inserts in the E-method corresponded to a shaking frequency of 45 Hz. From 5 to 20 drilling tool inserts were placed in a rigid and heat resistant plastic container with double lids measuring 133 mm in height and 122 mm in diameter, along with 4.5 kg of solids (carbide pellets with spherical top and bottom and reverse between them; overall height is 6.95 mm, back height is 3.22 mm and back diameter is 6.67 mm, are made of Sandvik grade H10F, and the weight of each pellet is approximately 3 g) and cold water with a volume of 1 to 2 dl for cooling. The filling height in the containers was approximately 1/2 and did not exceed 3/4. One to four containers were automatically clamped and then shaken. The frequency used was 45 Hz and the shaking time was 27 minutes for some inserts and 60 minutes for other inserts. To prevent excessive heating and melting of the containers, it was necessary to cool the containers after 9 minutes during processing.

Было показано, что Е-обработка значительно повышает стойкость против раннего отказа из-за больших ударных сил, а также, поскольку эффект обработки присутствует во всей вставке для бурового инструмента, она также предотвращает другие типы отказов вставки в ходе эксплуатации. Способ также дает значительное увеличение твердости (HV3) по всей поверхности и на несколько мм внутрь вставки по сравнению с твердостью основной массы (=начальная твердость после спекания).E-treatment has been shown to significantly increase early failure resistance due to high impact forces, and since the effect of the treatment is present throughout the drilling tool insert, it also prevents other types of insert failure during operation. The method also gives a significant increase in hardness (HV3) over the entire surface and a few mm inside the insert compared to the hardness of the bulk (=initial hardness after sintering).

Пример 4. Вставки для бурового инструмента и их обработка Далее были изготовлены вставки для бурового инструмента в соответствии с описанием в примерах 1 и 2, соответственно. Размер вставок составлял 7,3 мм по внешнему диаметру (OD) и 9,8 мм в высоту, при массе каждой приблизительно 4,8 г, и они имели сферический купол («режущую кромку»). Обратные части вставки шлифовали, но купол и нижнюю часть оставляли в таком состоянии, как сразу после спекания. Некоторые вставки обрабатывали с применением «Е-способа», как описано в примере 3, за исключением того, что время встряхивания составляло 9 минут.Example 4 Drilling Tool Inserts and Their Processing Next, drilling tool inserts were manufactured as described in Examples 1 and 2, respectively. The inserts measured 7.3 mm in outer diameter (OD) and 9.8 mm in height, weighing approximately 4.8 g each, and had a spherical dome ("cutting edge"). The back of the insert was ground, but the dome and bottom were left in the same condition as immediately after sintering. Some inserts were processed using the "E-method" as described in example 3, except that the shaking time was 9 minutes.

Пример 5. Измерения твердости Упрочнение, вызванное высокоэнергетической обработкой поверхности, можно характеризовать посредством составления карты твердости по Виккерсу. Вставки разрезают вдоль продольной оси и полируют с использованием стандартных методик. Затем осуществляют вдавливание по методу Виккерса при нагрузке 3 кг в местах, систематически распределенных по полированному участку. Более подробное описание применяемого способа см. ниже.Example 5 Hardness Measurements Hardening caused by high energy surface treatment can be characterized by mapping Vickers hardness. Inserts are cut along the longitudinal axis and polished using standard techniques. Then carry out the indentation according to the Vickers method with a load of 3 kg in places systematically distributed over the polished area. See below for a more detailed description of the method used.

Измерения твердости проводили с помощью программируемого твердомера KB30S, изготовитель KB Pruftechnik GmbH, калиброванного по тестовым блокам HV3, выпущенным калибровочной лабораторией Euro Products Calibration Laboratory, Великобритания. Твердость измеряют в соответствии со стандартом ISO EN6507. HV3 означает твердость по Виккерсу при нагрузке 3 кг, HV5 означает твердость по Виккерсу при нагрузке 5 кг и т.д.Hardness measurements were carried out using a KB30S programmable hardness tester, manufactured by KB Pruftechnik GmbH, calibrated against HV3 test blocks issued by the Euro Products Calibration Laboratory, UK. Hardness is measured in accordance with ISO EN6507. HV3 means Vickers hardness at 3kg load, HV5 means Vickers hardness at 5kg load, etc.

Измерения HV3 проводили следующим образом.HV3 measurements were carried out as follows.

Сканирование кромки образца.Sample edge scanning.

Программирование твердомера для создания отпечатков на определенном расстоянии до кромки.Programming the hardness tester to create impressions at a certain distance to the edge.

Программирование расстояний между отпечатками до 0,3 мм и более.Programming distances between prints up to 0.3 mm or more.

Вдавливание нагрузкой 3 кг по всем запрограммированным координатам.Indentation with a load of 3 kg along all programmed coordinates.

Стадия перемещения компьютером в каждую координату с отпечатком и запуск автоматической регулировки света, автофокуса, и затем автоматическое измерение размера каждого отпечатка.The stage of moving the computer to each coordinate with the print and starting automatic light adjustment, autofocus, and then automatically measuring the size of each print.

Пользователь осматривает все фотографии отпечатков в отношении фокусировки и других параметров, которые нарушают точность результатов.The user examines all photographs of the prints for focus and other parameters that interfere with the accuracy of the results.

Фактическое расстояние можно обнаружить на чертежах, измерив расстояние между символами

которыми отмечено фактическое расположение отпечатка вдавливания для измерения HV3 на чертеже, и затем сопоставив его со шкалой в мм, приведенной на осях X и Y.The actual distance can be found on the drawings by measuring the distance between the characters

which marks the actual location of the indentation for the HV3 measurement on the drawing, and then comparing it with the scale in mm shown on the X and Y axes.

Причина использования значений твердости, измеренных на 0,3 мм ниже поверхности, заключается в том, что с помощью вдавливания по методу Виккерса, используемого в данном случае, трудно измерить твердость на самой поверхности.The reason for using hardness values measured 0.3 mm below the surface is that it is difficult to measure the hardness at the surface itself with the Vickers indentation used here.

На фиг. 2-9 приведены карты твердости (карты HV3) по результатам вдавливаний, сделанных на вставках для бурового инструмента для образца 1 и образца 2 (в соответствии с примером 3).In FIG. 2-9 show hardness maps (HV3 maps) from the results of indentations made on drilling tool inserts for sample 1 and sample 2 (according to example 3).

В таблице 3 приведены средние значения твердости по контуру (все значения HV, измеренные на заданном расстоянии ниже поверхности) для образца 1 и образца 2, обработанных в соответствии с примером 3.Table 3 shows the average contour hardness values (all HV values measured at a given distance below the surface) for sample 1 and sample 2, processed in accordance with example 3.

Пример 6. Испытания ударной вязкости образца 1 и образца 2 Ударная вязкость вставок для бурового инструмента из образца 1 и образца 2 (по примеру 3) в состоянии сразу после спекания и после Е-обработки исследовали с использованием испытания на ударную нагрузку маятниковым копром. Схематический чертеж испытательной установки с маятниковым копром показан на фиг. 10. Испытания проводили следующим образом. Вставку для бурового инструмента, изготовленную по примеру 3 с куполообразным наконечником радиусом 5,0 мм и диаметром 10,0 мм, прочно устанавливают в держателе (а) так, что выступает только куполообразная часть. На маятнике (В) установлена твердая противостоящая поверхность, представленная на фиг. 15 в виде светло-серой области на головке маятникового копра. В качестве противостоящей поверхности использовали полированную пластину SNGN (h=5,00 мм, l=19,40 мм, w=19,40 мм) из высокодисперсного сорта твердого сплава с твердостью по Виккерсу (HV30) приблизительно 1900.Example 6 Impact Tests of Sample 1 and Sample 2 The impact strength of the drilling tool inserts of Sample 1 and Sample 2 (of Example 3) in the state immediately after sintering and after E-treatment was examined using a pendulum impact test. A schematic drawing of the pendulum test rig is shown in FIG. 10. The tests were carried out as follows. A drilling tool insert made according to Example 3 with a domed tip with a radius of 5.0 mm and a diameter of 10.0 mm is firmly installed in the holder (a) so that only the domed part protrudes. Mounted on the pendulum (B) is a solid opposing surface shown in FIG. 15 as a light gray area on the pendulum head. A polished SNGN insert (h=5.00 mm, l=19.40 mm, w=19.40 mm) of a fine grade carbide with a Vickers hardness (HV30) of approximately 1900 was used as the facing surface.

Когда маятник отпускают, противостоящая поверхность ударяется о наконечник образца. Если образец выходит из строя, энергию удара АЕ (в джоулях), поглощенную образцом, для данного начального угла маятника вычисляют с помощью уравнения 5.When the pendulum is released, the opposing surface strikes the specimen tip. If the specimen fails, the impact energy AE (in joules) absorbed by the specimen for a given initial pendulum angle is calculated using Equation 5.

где m представляет собой общую массу маятникового копра 4,22 кг, g представляет собой гравитационную постоянную 9,81 м/с², L представляет собой длину маятникового копра 0,231 м и α представляет собой угол в радианах.where m is the total mass of the pendulum impact tester 4.22 kg, g is the gravitational constant of 9.81 m/s ² , L is the length of the pendulum impact tester 0.231 m and α is the angle in radians.

Чтобы определить энергию, необходимую для разрушения образца, сначала на него воздействуют маятником, выпущенным под подходящим малым углом. Затем угол увеличивают ступенчато с шагом 5 градусов до тех пор, пока образец не выйдет из строя. Образец подвергают воздействию удара один раз при каждом энергетическом уровне удара (угле). Видимую трещину или скол рассматривают как разрушение образца. Первый тест, начинающийся с низкого уровня энергии удара, не считают действительным при оценке. В следующих испытаниях, используемых при оценке, угол опускают на 5 градусов от угла, под которым впервые наблюдали разрушение, а затем снова увеличивают с более мелким шагом в 3 градуса до тех пор, пока разрушение не будет достигнуто снова. Целевой результат таков, что каждая вставка выходит из строя при втором угле (ударе), однако некоторые вставки выходят из строя только при третьем ударе. Эти результаты также считали действительными. Вставки, которые разрушались при первом ударе, не были включены в оценку. В этих испытаниях противостоящую поверхность меняли через каждые 5-10 ударов. Полученные результаты для образцов 1 и 2 в зависимости от различной поверхностной обработки представлены в таблицах 4 и 5.To determine the energy required to break the specimen, it is first subjected to a pendulum projected at a suitable low angle. The angle is then increased in steps of 5 degrees until the specimen fails. The sample is impacted once at each impact energy level (angle). A visible crack or chip is considered as failure of the sample. The first test starting with a low impact energy level is not considered valid for evaluation. In the following tests used in the evaluation, the angle is lowered 5 degrees from the angle at which failure was first observed and then increased again in finer increments of 3 degrees until failure is reached again. The target result is that each insert fails on the second angle (impact), however, some inserts only fail on the third impact. These results were also considered valid. Inserts that failed on the first impact were not included in the score. In these tests, the opposing surface was changed every 5-10 strokes. The results obtained for samples 1 and 2, depending on the different surface treatments, are presented in tables 4 and 5.

В таблицах 2 и 3 ΔАЕ в процентах рассчитывают следующим образом:In tables 2 and 3, ΔAE as a percentage is calculated as follows:

ΔАЕ=((Средняя АЕ (обработанный)-Средняя АЕ (ОВ-шлифованный))/Средняя АЕ (OD-шлифованный))*100)ΔAE=((Average AE (machined)-Average AE (OB-ground))/Average AE (OD-ground))*100)

где АЕ представляет собой поглощенную энергию при разрушении.where AE is the energy absorbed at fracture.

Результаты показывают, что сопротивление разрушению, измеряемое как энергия, необходимая для разрушения образца, увеличивается больше (295%) для хромсодержащей вставки, которую подвергали Е-обработке, по сравнению со вставкой, не содержащей хрома (261%), причем эталонным уровнем являются необработанные образцы (OD-шлифованные).The results show that fracture resistance, measured as the energy required to break the sample, increases more (295%) for a chromium-containing insert that has been E-treated compared to a chromium-free insert (261%), with the reference level being untreated samples (OD-ground).

Пример 7. Ударная вязкость образца 1 и образца 2 Ударную вязкость вставок для бурового инструмента образца 1 и образца 2 (полученных в соответствии с примером 4) определяли посредством испытания на сжатие вставки, которое является альтернативой испытанию маятниковым копром, используемому в примере 6.Example 7 Impact Strength of Sample 1 and Sample 2 The impact strength of sample 1 and sample 2 drilling tool inserts (prepared according to example 4) was determined by an insert compression test, which is an alternative to the pendulum test used in example 6.

Для каждого из материалов, образца 1 и образца 2, часть вставок из одной партии испытывали в состоянии сразу после спекания, в то время как другую часть вставок испытывали после 9 минут обработки с применением Е-способа, как уже описано в примере 4.For each of the materials, sample 1 and sample 2, a part of the inserts from one batch were tested in the state immediately after sintering, while the other part of the inserts was tested after 9 minutes of processing using the E-method, as already described in example 4.

Способ испытания вставки на сжатие (СВ) включает сжатие вставки для бурового инструмента между двумя плоскопараллельными твердыми противоположными поверхностями с постоянной скоростью перемещения до тех пор, пока вставка не выйдет из строя. Использовали приспособление для испытания, основанное на стандарте ISO 4506:2017 (Е) «Твердые сплавы испытание на сжатие», с твердосплавными опорными плитами с твердостью более 2000 HV, при этом сам способ испытаний был адаптирован для испытания на ударную вязкость вставок для бурового инструмента. Приспособление устанавливали на испытательный каркас Instron 5989. Ось нагружения была идентична оси симметрии вращения вставок.The method of testing the insert for compression (CB) includes compressing the insert for a drilling tool between two plane-parallel hard opposite surfaces at a constant speed of movement until the insert fails. A test fixture based on ISO 4506:2017 (E) "Carbide Compression Test" was used with carbide base plates with a hardness of more than 2000 HV, and the test method itself was adapted to test the impact strength of drilling tool inserts. The fixture was mounted on an Instron 5989 test frame. The loading axis was identical to the axis of rotation of the inserts.

Противоположные поверхности приспособления соответствовали степени параллельности, требуемой стандартом ISO 4506:2017 (Е), то есть максимальному отклонению 0,5 мкм/мм. Это имеет большое значение для согласования и повторяемости результатов испытаний. Испытываемые вставки нагружали с постоянной скоростью перемещения траверсы, равной 0,6 мм/мин, до отказа, при этом регистрировали кривую нагрузка-перемещение. Упругую деформацию испытательной установки и испытательного приспособления вычитали из измеренной кривой нагрузка-смещение перед оценкой испытания. Были испытаны две вставки для каждого материала и обработки. Перед каждым испытанием противоположные поверхности проверяли на наличие повреждений. Было определено, что отказ вставки происходит, когда измеренная нагрузка внезапно падает не менее чем на 1000 Н. Последующий осмотр испытанных вставок подтвердил, что это во всех случаях совпадает с возникновением макроскопически видимой трещины. Ударную вязкость материала оценивали с помощью общей поглощенной энергии деформации до разрушения, обозначенной как AEIC. AEIC рассчитывали для каждого испытания как общую площадь под измеренной кривой нагрузка-смещение до разрушения. В таблице 6 приведены средние значения AEIC, полученные для материалов образца 1 и образца 2 в состоянии сразу после спекания и после 9 минут Е-обработки соответственно. ΔAEIC, среднее увеличение в процентах поглощенной энергии после обработки, также включено в таблицу. Увеличение рассчитывали по среднему значению поглощенной энергии следующим образом:The opposite surfaces of the fixture met the degree of parallelism required by ISO 4506:2017 (E), i.e. a maximum deviation of 0.5 µm/mm. This is of great importance for the consistency and repeatability of test results. The test inserts were loaded at a constant traverse travel speed of 0.6 mm/min to failure, and the load-displacement curve was recorded. The elastic deformation of the test rig and test fixture was subtracted from the measured load-displacement curve prior to test evaluation. Two inserts were tested for each material and treatment. Before each test, the opposite surfaces were checked for damage. Insert failure was determined to occur when the measured load dropped suddenly by at least 1000 N. Subsequent inspection of the tested inserts confirmed that this coincided in all cases with the occurrence of a macroscopically visible crack. The impact strength of the material was evaluated using the total absorbed strain energy to failure, designated as AEIC. AEIC was calculated for each test as the total area under the measured load-displacement curve before failure. Table 6 shows the average AEIC values obtained for the materials of sample 1 and sample 2 in the state immediately after sintering and after 9 minutes of E-processing, respectively. ΔAEIC, the average percentage increase in energy absorbed after treatment, is also included in the table. The increase was calculated from the average value of the absorbed energy as follows:

ΔAEIC=((AEIC treated - AEIC as sintered)/AEIC as sintered)*100ΔAEIC=((AEIC treated - AEIC as sintered)/AEIC as sintered)*100

Из результатов испытаний видно, что даже небольшой период времени обработки Е-способом, составляющий 9 минут, приводил к резкому увеличению поглощенной энергии. Эффект обработки был явно более выражен для образца 2, содержащего хром, причем ΔAEIC составило 511% по сравнению с результатом 463%, полученным для образца 1 без хрома, несмотря на равный объем связующей фазы двух материалов.It can be seen from the test results that even a short E-processing time of 9 minutes resulted in a dramatic increase in absorbed energy. The treatment effect was clearly more pronounced for sample 2 containing chromium, with ΔAEIC of 511% compared to the result of 463% obtained for sample 1 without chromium, despite the equal volume of the binder phase of the two materials.

Пример 8. Испытание на абразивный износ Вставки для бурового инструмента из образца 1 и образца 2 по примеру 3 (∅10 мм OD, сферическая передняя часть) в состоянии сразу после спекания и после Е-обработки подвергали испытанию на абразивный износ, при котором наконечники образцов изнашивают о вращающуюся поверхность гранитного круга в ходе токарной обработки. Используемые параметры испытаний были следующими: нагрузка, приложенная к каждой вставке, 200 Н, частота вращения гранитного круга составляет 280 об/мин, окружность круга от 44 до 45 см и горизонтальная скорость подачи 0,339 мм/об. Путь трения в каждом испытании был постоянным и составлял 150 м, и образец охлаждали непрерывным потоком воды. Каждый образец тщательно взвешивали до и после испытания. Оценивали потери массы от одного до двух образцов для каждого материала после прохождения пути трения 150 м. Потери объема образца для каждого из испытываемых материалов и различных видов обработки поверхности, рассчитанные по измеренным потерям массы и плотности образца, представлены в таблице 7.Example 8 Abrasion Test The drilling tool inserts of Sample 1 and Sample 2 of Example 3 (∅10 mm OD, spherical front) in the state immediately after sintering and after E-treatment were subjected to an abrasion test in which the tips of the samples wear on the rotating surface of the granite circle during turning. The test parameters used were as follows: the load applied to each insert was 200 N, the rotational speed of the granite wheel was 280 rpm, the circle circumference was 44 to 45 cm, and the horizontal feed rate was 0.339 mm/rev. The friction path in each test was constant at 150 m and the sample was cooled with a continuous flow of water. Each sample was carefully weighed before and after testing. The mass loss of one to two samples for each material after passing a friction path of 150 m was evaluated. The sample volume loss for each of the tested materials and various surface treatments, calculated from the measured mass loss and density of the sample, are presented in Table 7.

Результаты испытаний на абразивный износ ясно показывают значительно повышенную износостойкость материала по изобретению (образец 2) по сравнению со сравнительным материалом (образец 1). Дополнительное повышение износостойкости наблюдали для вставок, подвергнутых поверхностной обработке Е-способом в течение 27 мин.The results of the abrasion test clearly show a significantly improved wear resistance of the inventive material (sample 2) compared to the comparative material (sample 1). An additional increase in wear resistance was observed for inserts subjected to E-process surface treatment for 27 minutes.

Claims

1. An insert for a drilling tool made of a hard alloy that includes hard components of tungsten carbide (WC) in a Ni-Cr or Ni-Co-Cr binder phase, in which the hard alloy includes 3.5-18 wt.% of the binder phase containing >0 wt.% Ni, the mass ratio of Cr / (Ni + Co) is 0.02-0.19, and WC and inevitable impurities - the rest, while the difference between hardness at a depth of 0.3 mm from the surface in any the point of insertion for the drilling tool and the minimum hardness of the main mass of the insert for the drilling tool at a depth of 4.8 mm from its surface is at least 20 HV3.

2. A drilling tool insert according to claim 1, characterized in that the difference between the hardness at a depth of 0.3 mm from the surface at any point of the drilling tool insert and the hardness at a depth of 1 mm below its surface is at least 15 HV3.

3. A drilling tool insert according to claim 1 or 2, characterized in that the difference between the average hardness at a depth of 0.3 mm from the surface of the drilling tool insert and the average hardness in the bulk of the drilling tool insert at a depth of 4.8 mm from its surface is at least 20 HV3.

4. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the difference between the average hardness at a depth of 0.3 mm from the surface of the drilling tool insert and the average hardness at a depth of 1 mm from the surface is at least 15 HV3.

5. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the difference between the hardness at a depth of 0.3 mm from the surface at any point of the drilling tool insert and the minimum hardness of the main mass of the drilling tool insert at a depth of 4.8 mm from its surface is at least 30 HV3 .

6. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the difference between the hardness at a depth of 0.3 mm from the surface at any point of the drilling tool insert and the hardness at a depth of 1 mm from the surface of the drilling tool insert is at least 20 HV3.

7. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that the average grain size WC hard alloy is more than 1 μm, but less than 18 μm.

8. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-7, characterized in that the hard alloy contains 4-12 wt.% of the binder phase.

9. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that the binding phase Ni-Co-Cr contains >25 wt.% Ni.

10. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-9, characterized in that the binding phase Ni-Co-Cr contains >50 wt.% Ni.

11. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that the binder phase is a Ni-Cr binder phase.

12. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-11, characterized in that the mass ratio Cr/(Ni+Co) in the hard alloy is 0.04-0.19.

13. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-12, characterized in that the mass ratio Cr/(Ni+Co) in the hard alloy is 0.085-0.15.

14. Insert for drilling tool according to any one of paragraphs. 1-13, characterized in that said hard alloy has a hardness of not more than 1700 HV3.

15. Drill bit, in which the body includes one or more inserts for drilling tools according to any one of paragraphs. 1-14.