СПОСОБ АРМИРОВАНИЯ БУРОВЫХ КОРОНОК ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ И ДРУГИМИ ВСТАВКАМИ Российский патент 1996 года по МПК E21B10/16 B23P11/00 

Изобретение относится к горной промышленности, к породоразрушающему инструменту и наиболее эффективно может быть использовано в конструкциях буровых коронок и долот.

Известны конструкции буровых коронок, состоящие из корпуса, в гнезде которого впаяны твердосплавные вставки. При этом используется способ армирования пайкой. В качестве припоя, фиксирующего твердосплавные вставки в корпусе коронки, используются медно-цинковые сплавы (латуни). Недостатки этих конструкций заложены уже в самом способе соединения, когда вместо требуемого увеличения объема кристаллизующейся (остывающей в простенках) латуни происходит уменьшение объема вследствие литейной усадки при кристаллизации (величина усадки даже чистых меди и цинка составляет 1,6%). Отсюда наличие непропоев, остаточных напряжений и, как следствие, низкая эксплуатационная стойкость инструмента при неоправданно высоких энергоемкости и трудоемкости процесса.

Оперируя параметрами кристаллических решеток и атомными радиусами, участвующих в процессе элементов Сu, Zn и Fe, несложно показать, что в процессе пайки не может иметь место диффузионное проникновение в решетку γ-Fe атомов Cu и Zn, ни образование атомарных связей даже в пределах нескольких атомных слоев (плоскостей), которые гарантировали бы прочность сопряжения. Последняя реализуется только благодаря возникающему в стыке заклиниванию, чего явно недостаточно.

Известны способы армирования коронок, в которых между твердосплавными вставками и стенками гнезд располагают компенсирующие прокладки. Однако и при таких способах армирования применяется пайка с сохранением тех же дефектов, что и в первом случае.

В конструкциях высокостойкого зарубежного бурового инструмента для крепления твердосплавных вставок также используются прокладки. Однако процесс пайки, как малоэффективный, не предусматривается. Твердосплавные элементы в сборе со специальными прокладками впрессовываются в соответствующие гнезда корпусов коронок с обеспечением необходимого натяга, гарантирующего необходимую надежность и работоспособность. Наличие же в простенках только пластически деформированных прокладок без применения пайки не обеспечили бы способу производства коронок надлежащей конкурентоспособности.

Известен способ формирования соединений [1] когда в качестве промежуточного элемента (вставки) используется ниобий, способный под воздействием температуры (800-900^оС) и окислительной среды (воздух) к окислению с увеличением объема до 20%
Недостатком его является низкая сопротивляемость воздействию ударно-динамических нагрузок, каким подвержен буровой инструмент. Этот способ взят за прототип.

Целью изобретения является повышение надежности и работоспособности буровых коронок с использованием эффекта увеличения объема материала прокладок.

Цель достигается тем, что осуществляется установка вставок с фиксирующими прокладками в соответствующие углубления в корпусах коронок и увеличение объема фиксирующих прокладок производят путем последовательной термообработки до степени деформации по толщине, не превышающей 50% при этом для материала прокладок из пластинчатых материалов типа дюралюмин термообработку производят в виде предварительного отжига и последующего искусственного старения в сборе, а из ледебуритных сталей карбидного класса типа Х9ВМФ производят закалку на аустенит с последующим отпуском в сборе при Т 550-600^оС в течение 2 ч.

Использование в качестве материала прокладки не хрупкой окисной пленки (окалины) на поверхности прокладки из ниобия, а предельно пластичного листа дюралюмина толщиной порядка 0,3 мм в состоянии отжига, закалки и естественного старения, смягченного путем возврата (нагрев до 200-250^оС с выдержкой до 60 мин), после нагрева сборки до 150-170^оС и выдержки до 120 мин (искусственное старение) вследствие протекания в металле прокладки термоструктурных превращений и наклепа приводит к восстановлению прочностных свойств до уровня исходных ( σ_в 442-475; σ_т -358 МПа; δ= 14-11% для материала Д16). Процесс выделения из твердого раствора дюралюмина промежуточных фаз (CuAl₂ и Mg₂Si) сопровождается формированием поля упругих напряжений от увеличения объема до 50% и разности коэффициентов термического расширения стали 35ХГСА (для близкой по составу стали 35 ХС коэффициент α= (11,7-12,5)·10^-6 в интервале температур 20-200^оС и дюралюмина (алюминия) в этом же интервале температур, α (23,8-25,5)·10^-6, способствующих возникновению напряжений натяга в сборках для надежного удержания твердосплавных вставок в гнездах корпуса коронки из стали 35ХГСА.

При более высокой температуре разогрева бурового инструмента в процессе эксплуатации и отсутствия возможности применения охлаждения, например, при нагреве до температур порядка 800^оС, в качестве материала для прокладок рекомендуются закаленные на аустенит (до 60% ) пластины из ледебуритных сталей карбидного класса, например марки Х9ВМФ ОСТ 24.013.16-81, способные после высокотемпературного отпуска (550-600^оС) к вторичному твердению (выделению вторичных карбидов) с одновременным увеличением объема до 50% за счет перевода остаточного аустенита в мартенсит отпуска. При этом обеспечиваются высокая прочность материала прослойки и необходимый натяг для достижения высокой прочности сборки и удержания вставок в гнездах корпуса коронки.

Способ поясняется фиг. 1 и 2.

П р и м е р 1. Под призматическую твердосплавную вставку толщиной 10 мм из сплава ВК10КС ГОСТ 3882-74 в корпусе коронки выполняется паз шириной 10,3 мм и глубиной 15 мм. Из неплакированного дюралюминового листа сплава D16 толщиной 0,3 мм, поставленного в соответствии с нормалью МАП АМТУ 258-55 в состоянии отжига и естественного старения, вырубкой получали заготовку 38х40х0,3 мм и подвергали ее нагреву до 250^оС в течение 60 мин (возврат). Охлажденную в воде заготовку 1 немедленно гнули до получения П-образной формы под толщину твердосплавной вставки и запрессовывали вместе с вставкой 2 в гнездо корпуса 3, имеющее на входе фаски 0,15х30^о. Сборку нагревали до температуры 170^оС, выдерживали 2 ч и выпрессовывали на гидравлическом прессе ГРМ-2 в специальном приспособлении по схеме, приведенной на фиг. 2. Усилие сдвига запрессовки относили к боковой площади контакта прокладки с корпусом и определяли прочность сборки. Напряжение посадки твердосплавной вставки в этом случае составило 238 МПа.

П р и м е р 2. Под ту же призматическую вставку толщиной 10 мм в корпусе коронки выполнялся паз шириной 11 мм и глубиной 15 мм. Изотермически отожженные пластины размерами 38х15х0,55 мм подвергали закалке в масле с нагревом в хлорбариевой ванне до температуры 1180^оС.

Количество остаточного аустенита, определенное на баллистической установке типа БУ-3, составило 89% Твердость закаленных пластин составила 30 НRc, после шлифовки по боковым граням толщина пластин находилась в пределах 0,52-0,53 мм. Пластины вместе с твердосплавными вставками без особого труда (с помощью удара молотком) были запрессованы в паз корпуса коронки и подвергнуты нагреву в течение 2 ч при температуре 580^оС. Распрессовка по схеме, показанной на фиг. 2, показала увеличение касательных напряжений в сборке до 605 МПа. Материал пластин-стали карбидного класса с эффектом вторичного твердения, например, Х9ВМФ.

Использование: в горной промышленности, а именно в конструкциях буровых коронок и долот. Сущность: в способе армирования буровых коронок твердосплавными и другими вставками увеличение обема фиксирующих прокладок производят путем последовательной термообработки до степени деформации по толщине, не превышающей 50%. Для материала прокладок из пластичных материалов типа дюралюмин термообработку производят в виде предварительного отжига и последующего искусственного старения в сборе. Для материала прокладок из ледебуритных сталей карбидного класса производят закалку на аустенит с последующим отпуском в сборе при 550 - 600^oС в течение 2 ч. 2 ил.

СПОСОБ АРМИРОВАНИЯ БУРОВЫХ КОРОНОК ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ И ДРУГИМИ ВСТАВКАМИ, включающий установку вставок с фиксирующими прокладками в соответствующие углубления в корпусах коронок и увеличение объема фиксирующих прокладок, отличающийся тем, что увеличение объема фиксирующих прокладок производят путем последовательной термообработки, при этом для прокладок из пластичных материалов типа дуралюмин термообработку производят в виде нагрева до 200 - 250^oС, выдержке при этой температуре в течение 1 ч, охлаждения в воде и последующего искусственного старения в сборе путем нагрева до 150 - 170^oС и выдержке до 2 ч, а для прокладок из ледебуритных сталей карбидного класса типа Х9ВМФ производят закалку на аустенит с последующим отпуском в сборе при 550 - 600^oС в течение 2 ч.