СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2005 года по МПК C23C10/30 C23C24/10 

Изобретение относится к способам упрочнения твердосплавного алмазного инструмента, например алмазных режущих дисков и алмазных коронок для бурения твердых пород путем диффузии металла в металлическую поверхность инструмента, и может быть использовано в машиностроении и горнодобывающей промышленности.

Развитие газовой и нефтедобывающей промышленности требует увеличения интенсивности разведки новых и освоения известных, в том числе глубоко расположенных месторождений. В связи с этим актуальным становится вопрос об экономичности буровых работ. Наиболее высокие экономические показатели при бурении геологоразведочных скважин в крепких горных породах обеспечивает алмазный инструмент. Стойкость твердосплавной матрицы алмазных коронок и сама форма алмазов, расположенных в ней, определяют работоспособность алмазного породоразрушающего инструмента в процессе бурения и тем самым экономичность буровых работ.

Известны способы упрочнения твердосплавного и алмазного инструмента: М.И.Исаев, П.В.Пономарев “Основы прогрессивной технологии алмазного бурения геологоразведочных скважин”. - М.: Недра, 1975 г., стр.62, 73 и 271, патенты РФ 2032497, 2073590, 2094225, 2136479. В них предлагаются различные способы упрочнения либо матрицы твердосплавного инструмента, либо изменение формы рабочих поверхностей алмаза для повышения износостойкости породоразрушающего бурового инструмента.

Наиболее близким по технической сущности и принятым нами за прототип является "Способ упрочнения твердосплавного и алмазного инструмента для бурения горных пород”, защищенный патентом РФ №2101456, публ. 10.01.98 г. (МКИ Е 21 В 10/46, С 21 D 6/04), в котором предложен способ, включающий термическую обработку матрицы инструмента холодом путем погружения ее в жидкий азот и последующее облучение ее гамма-квантами.

Однако в известном способе при такой обработке происходит охрупчивание твердосплавной матрицы в связи с повышением ее твердости после воздействия холода и возможно образование трещин, не залечиваемых при дальнейшей обработке. Все это приводит к снижению стойкости твердосплавного алмазного инструмента при эксплуатации и увеличению удельного расхода алмазов.

Техническим результатом изобретения является повышение стойкости твердосплавного алмазного инструмента при эксплуатации и снижение удельного расхода алмазов.

Технический результат достигается за счет того, что в способе упрочнения твердосплавного алмазного инструмента, включающем термическое воздействие на рабочие поверхности инструмента, согласно изобретению перед термическим воздействием рабочие поверхности твердосплавного алмазного инструмента покрывают обмазкой, содержащей 10-15 об.% жидкого стекла, используемого в качестве связующего, и порошок, состоящий из следующих компонентов, мас.%: порошок металла пропитки матрицы фракции менее 20 мкм - 56-72, например, меди или медного сплава, порошок окислов алюминия 6-15 и порошок сплава ВК-8 фракции менее 50 мкм - остальное, при этом толщина слоя обмазки составляет 0,5-1,0 мм, затем проводят термическое воздействие на рабочие поверхности инструмента путем облучения лучом лазера с плотностью мощности излучения 1·10³-2·10⁵ вт/см² и скоростью обработки 2,0-20,0 мм/с в атмосфере инертного газа, например аргона.

Содержание металла пропитки в количестве 56-72 мас.% необходимо для обеспечения инфильтрации расплава материала обмазки в дефекты типа трещины и несплошности твердосплавной матрицы алмазного инструмента для последующей их заварки.

При содержании металла пропитки в обмазке менее 56 мас.% падает жидкотекучесть расплава и снижается возможность проникновения его вглубь матрицы, при содержании металла пропитки в обмазке более 72 мас.% происходит разупрочнение металла пропитки за счет уменьшения в нем доли твердосплавной составляющей - сплава ВК-8.

Дисперсность порошка металла пропитки более 20 мкм требует более длительного времени для нагрева его до расплавления и последующей заварки расплавом дефектов типа трещины и несплошности в поверхностном слое твердосплавной матрице, что приводит к угару алмазов.

Наличие окислов алюминия в пределах 6-15 мас.% необходимо для раскисления ванны расплава металла пропитки, образуемой при облучении лучом лазера.

При содержании окислов алюминия менее 6 мас.% раскисление ванны недостаточно, что приводит к появлению пор, плен и ухудшению жидкотекучести расплава. При содержании окислов алюминия более 15 мас.% на поверхности обрабатываемого инструмента наблюдается увеличение интенсивности плазменных процессов, приводящих к повышению температуры и, как следствие, к угару алмазов.

Наличие в составе обмазки порошка сплава ВК-8 необходимо для упрочнения металла пропитки, которым заваривают пустоты в местах контакта алмаза с твердосплавной матрицей, а также поры и трещины на поверхности алмазного инструмента, превращая ее в монолит.

Дисперсность порошка сплава ВК-8 более 50 мкм приводит к образованию пор и грубой структуры на рабочих поверхностях твердосплавной матрицы.

Использование жидкого стекла в количестве 10-15 об.% в качестве связующего необходимо для придания обмазке требуемой консистенции с целью удержания ее на рабочих поверхностях инструмента перед облучением лучом лазера.

При содержании жидкого стекла более 15% увеличивается интенсивность плазменных процессов, приводящих к повышению температуры и угару алмазов. При содержании жидкого стекла менее 10% имеет место осыпание обмазки при лазерной обработке инструмента.

Слой обмазки толщиной 0,5-1,0 мм необходим для качественной обработки поверхности.

При толщине слоя обмазки менее 0,5 мм недостаточно металла пропитки для заварки дефектов на поверхности инструмента. При толщине слоя обмазки более 1,0 мм наблюдается избыток металла пропитки и поверхность инструмента становится более грубой, с потеками.

Облучение лучом лазера необходимо для того, чтобы активизировать поверхность неметаллических фаз: карбидов вольфрама матрицы и обмазки, а также алмаза перед их сплавлением с металлом матрицы, что не достигается при использовании других источников энергии. Режимы облучения лучом лазера твердосплавного алмазного инструмента выбраны для достижения следующих целей:

1. Расплавления металла пропитки.

2. Заварки дефектов на рабочих поверхностях инструмента.

3. Заварки пустот в местах контакта алмазов с металлом матрицы.

4. Термического упрочнения твердосплавной матрицы.

5. Овализации граней алмазов.

Выбор режимов облучения лучом лазера обусловлен тем, что при плотности мощности излучения более 2·10⁵ вт/см² и скорости обработки менее 2 мм/с происходит угар алмазов.

При плотности мощности излучения менее 1·10³ вт/см² и скорости обработки более 20 мм/с не происходит термического упрочнения твердосплавной матрицы, овализации граней алмазов, заварки поверхностных дефектов и прочного соединения алмазов с материалом матрицы из-за недостаточности подвода энергии в зону, облучаемую лучом лазера.

Облучение лучом лазера в атмосфере инертного газа, например, аргона, необходимо для предотвращения окисления расплавленной ванны металла пропитки.

Пример конкретного выполнения: процесс упрочнения твердосплавного алмазного инструмента проводился на лазерной установке Комета 2.

Упрочнению подвергались твердосплавные буровые коронки и диски режущего инструмента с алмазами, внедренными в материал матрицы.

Перед обработкой алмазные коронки и алмазные диски режущего инструмента в количестве девяти штук каждого наименования были отмыты от грязи, обезжирены, надежно закреплены на оснастке. Затем была изготовлена обмазка, состав которой приведен в таблице 1, и нанесена на рабочие поверхности инструмента слоем толщиной 0,5; 0,75 и 1,00 мм с дисперсностью металла пропитки и сплава ВК-8 менее 20 и 50 мкм соответственно.

Таблица 1.Состав обмазки для обработки твердосплавного алмазного инструмента.Условный номер составаСодержание компонентов, мас.%Связующее Порошок металла пропиткиПорошок окиси алюминияПорошок сплава ВК-8Жидкое стекло156,06,038,010,0264,310,625,112,5372,015,013,015,0Примечание:
1. В качестве материала пропитки использовался порошок меди марки М 1 и медных сплавов марок Бр.55 и Бр.58.
2. Жидкое стекло вводилось сверх количественного содержания компонентов в обмазке в объемн.% к сухой массе.

После этого рабочие поверхности инструмента были подвергнуты термическому воздействию путем облучения лучом лазера с плотностью мощности излучения 1·10³, 1·10⁴ и 2·10⁵ вт/см² со скоростью обработки 2,0; 12,0 и 20,0 мм/с в атмосфере аргона.

Обработанные алмазные коронки были испытаны в производственных условиях Северной ПРЭ поселка Чупа при бурении пород 8,3 категории буримости и алмазные диски режущего инструмента - при резке металла. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2.Свойства твердосплавной алмазной матрицы бурового инструмента.СпособУсловный номер состава обмазкиПараметры способаСвойства инструмента  Толщина слоя, ммДисперсностьПлотность мощности излучения, вт/см²Скорость обработки, мм/сУдельный расход алмазов, кар/мСредняя проходка на коронку, м   Металла пропитки, мкмСплава ВК-8, мкм    Предлагаемый10,50≤20,0≤50,01·10³20,01,8146,54 20,75  1·10⁴12,01,8036,70 31,00  2·10⁵2,01,8096,65Извес-тный4-----2,3275,15Примечание: в таблице приведены усредненные значения по результатам испытаний трех образцов на точку.

Как видно из таблицы испытаний, средняя проходка на одну коронку, обработанную по предлагаемому способу, увеличилась на 30% и экономия алмазов составила 22%.

Технико-экономический эффект от использования изобретения выразится в повышении производительности работ, проводимых с помощью обработанного инструмента, и экономии алмазов и алмазного инструмента.

Изобретение относится к способам упрочнения твердосплавного алмазного инструмента и может быть использовано в машиностроении и горнодобывающей промышленности. Предложенный способ включает нанесение на рабочие поверхности инструмента слоя обмазки, содержащего 10-15 об.% жидкого стекла, используемого в качестве связующего, и порошок, состоящий из следующих компонентов, мас.%: порошок металла пропитки матрицы фракции менее 20 мкм - 56-72, порошок окислов алюминия - 6-15, порошок сплава ВК-8 фракции менее 50 мкм - остальное, при этом толщина слоя обмазки составляет 0,5-1,0 мм, затем проводят термическое воздействие на рабочие поверхности инструмента путем облучения лучом лазера с плотностью мощности излучения 1·10³-2·10⁵ вт/см² и скоростью обработки 2,0-20,0 мм/с. В частных случаях выполнения изобретения в качестве металла пропитки используют медь или медный сплав; облучение лучом лазера проводят в атмосфере инертного газа; в качестве инертного газа используют аргон. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости твердосплавного алмазного инструмента при эксплуатации и снижение удельного расхода алмазов. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ упрочнения твердосплавного алмазного инструмента, включающий термическое воздействие на рабочие поверхности инструмента, отличающийся тем, что перед термическим воздействием рабочие поверхности инструмента покрывают слоем обмазки, содержащей 10-15 об.% жидкого стекла, используемого в качестве связующего, и порошок, состоящий из следующих компонентов, мас.%: порошок металла пропитки матрицы фракции менее 20 мкм - 56-72, порошок окислов алюминия - 6-15 и порошок сплава ВК-8 фракции менее 50 мкм - остальное, при этом толщина слоя обмазки составляет 0,5-1,0 мм, термическое воздействие на рабочие поверхности инструмента осуществляют путем облучения лучом лазера с плотностью мощности излучения 1·10³ - 2·10⁵ Вт/см² и скоростью обработки 2,0-20,0 мм/с.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металла пропитки используют медь или медный сплав.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение лучом лазера проводят в атмосфере инертного газа.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон.