СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНЫХ БУРОВЫХ КОРОНОК Российский патент 2008 года по МПК B24D18/00 B24D3/10 

Изобретение относится к области изготовления алмазного инструмента для бурения горных пород.

Известен способ изготовления алмазного инструмента для бурения горных пород с использованием в нем гранулированных алмазов (см. а.с. № 346097, М.Кл. В24d 3/10 «Способ изготовления алмазного инструмента»).

Основными недостатками известного способа являются невозможность применения гранулированных алмазов с оболочкой заданного диаметра на основе расчетных зависимостей, низкая износостойкость гранул, неравномерная пропитка матрицы коронки, наличие пор в зоне контакта материала матрицы с алмазами и, как следствие, слабое удержание их в матрице, приводящее к выпадению неотработанных алмазов.

Известен способ изготовления алмазного инструмента, в котором в некоторой мере устранены указанные недостатки (см. а.с. № 132970, М.Кл. В24d 3/10 «Способ изготовления алмазного инструмента»). По этому способу изготовления инструмента гранулы просушиваются, засыпаются в пресс-форму, прессуются и после распрессовки полученный инструмент спекается.

Недостатками этого способа изготовления инструмента являются: неприменение гранулированных алмазов с оболочкой заданного диаметра на основе расчетных зависимостей, низкая износостойкость гранул, неравномерная пропитка матрицы вследствие применения нерациональных режимов термообработки при просушивании гранул. Все указанное приводит к снижению работоспособности коронок при бурении.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение важного технического результата - повышение качества и работоспособности алмазных коронок за счет применения гранулированных алмазов с оболочкой заданного диаметра на основе расчетных зависимостей с учетом коэффициента усадки материала оболочки гранул при их прессовании, повышения износостойкости гранул путем введения зонально в оболочку мелких фракций алмазных зерен и обеспечения равномерной пропитки матрицы коронки применением рациональных температуры и времени термообработки гранулированных алмазов.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе изготовления алмазных буровых коронок, включающем использование гранулированных алмазов с оболочкой, прессование и спекание матрицы буровой коронки, используют гранулированные алмазы с диаметром оболочки d_r, определяемым по формуле

,

где К - коэффициент усадки материала оболочки гранулы алмаза при прессовании матрицы, К=0,45...0,56;

d_a - диаметр алмазного зерна, м;

А - коэффициент пропорциональности, А=400%;

Г - коэффициент гранулы, Г=(50...400)%,

и используют гранулированные алмазы, в оболочку которых зонально введены мелкие фракции алмазных зерен, диаметр которых составляет 0,10-0,15 диаметра алмазных зерен гранул, при этом перед прессованием матрицы буровой коронки осуществляют термообрабатку гранул алмазов при температуре, равной (0,08-0,2) температуры спекания материала оболочки гранулы, и времени, равном (0,1-0,3) времени спекания материала оболочки гранулы.

Благодаря тому что используют гранулированные алмазы с диаметром оболочки d_Г, определенным по формуле

,

где К - коэффициент усадки материала оболочки гранулы алмаза при прессовании матрицы, К=0,45...0,56;

d_a - диаметр алмазного зерна; м;

А - коэффициент пропорциональности, А=400%;

Г - коэффициент гранулы, Г=(50...400)%.

Коэффициент гранулы есть отношение объема алмаза в грануле к объему всей гранулы, выраженное в процентах. При этом за 100%-ную концентрацию условно принято объемное содержание алмаза, равное 0,25 единичного объема гранулы.

Проведенными в ТулНИГП исследованиями установлено, что для алмазного бурового инструмента коэффициент Г имеет диапазон значений Г=(50...400)%. Коэффициент гранулы задается в зависимости от физико-механических свойств буримых горных пород и геометрических параметров алмазов.

Применение гранулированных алмазов с оболочкой заданного диаметра, установленного на основе расчетной зависимости, обеспечивает их закономерное распределение в объеме матрицы коронки. Это позволяет повысить эффективность разрушения горной породы при бурении коронкой по всей площади забоя, в том числе при изменении концентрации объемных алмазов.

Вследствие того, что используют гранулированные алмазы, в оболочку которых зонально введены мелкие фракции алмазных зерен, диаметр которых составляет 0,10-0,15 диаметра алмазных зерен гранул, в значительной мере возрастает износостойкость алмазосодержащего слоя, улучшается его самозатачиваемость, повышается эффективность поражения им забоя и возрастает работоспособность алмазной коронки в целом.

При диаметре алмазных зерен мелких фракций меньше 0,1 диаметра алмазного зерна гранулы уменьшается эффективность разрушения горной породы ими, а при их диаметре большем, чем 0,15 диаметра алмазного зерна гранул, значительно снижается прочность удержания этих алмазных зерен в оболочке гранулы.

Таким образом, величина диаметра алмазных зерен мелких фракций, равная (0,10-0,15) диаметра алмазного зерна гранулы, является рациональной.

Благодаря тому что перед прессованием матрицы буровой коронки осуществляют термообработку гранул алмазов при температуре, равной (0,08-0,2) температуры спекания материала оболочки гранулы, и времени, равном (0,1-0,3) времени спекания материала оболочки гранулы, обеспечивается равномерная пропитка матрицы коронки, что обусловливает повышение работоспособности коронки.

В случае термообработки при температуре менее 0,08 температуры спекания материала оболочки гранулы и времени, равном менее 0,1 времени спекания материала оболочки, летучие компоненты пластификатора материала оболочки удаляются не полностью, что в дальнейшем затрудняет его качественную пропитку и приводит к снижению работоспособности коронки при бурении.

Если перед прессованием гранулы дополнительно термообрабатывают при температуре, равной более 0,2 температуры спекания материала оболочки гранулы, и времени, равном более 0,3 времени спекания материала оболочки, то происходит повышенное уплотнение материала оболочки гранулы, что затрудняет его качественную пропитку и приводит к снижению работоспособности коронки при бурении.

Способ осуществляется следующим образом.

Рассмотрим его осуществление на примере изготовления алмазной буровой коронки.

Предварительно готовят гранулированные алмазы с диаметром оболочки гранулы, определенным по предлагаемой расчетной зависимости, затем осуществляют термообработку гранул алмазов при температуре, равной (0,08-0,2) температуры спекания материала оболочки гранулы, и времени, равном (0,1-0,3) времени спекания материала оболочки гранулы. Перед прессованием матрицы алмазной буровой коронки в графитовую пресс-форму, геометрия которой представляет собой зеркальное отображение конфигурации рабочей части алмазной коронки, засыпают термообработанные гранулы алмазов, которые равномерно распределяются в пресс-форме, затем поверх гранул алмазов помещают подрезной и приварочный слои твердосплавной шихты. Прессуют матрицу коронки корпусом алмазной коронки, внутрь которого помещают медно-никелевую связку. Спрессованный инструмент нагревают на печи ТВЧ, происходит спекание матрицы инструмента, которое интенсифицируется благодаря предварительной термической обработке гранул алмазов и их плотной и равномерной упаковке в матрице после прессования и появлению жидкой фазы вследствие плавления материала связки. Происходит процесс увеличения прочности межчастичного (контактного) сцепления, а жидкая фаза при этом приводит к возникновению дополнительных явлений: смачивания твердой фазы жидкостью, частичного растворения твердых компонентов жидкостью с последующей кристаллизацией твердых частиц из образующегося раствора. Это приводит к образованию компактного и прочного сплава с высоким качеством удержания алмазов в матрице.

Затем инструмент охлаждают и подвергают механической обработке.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается: в повышении: стойкости алмазных коронок на 40-50% и увеличении механической скорости бурения в 1,3-1,5 раза по сравнению с использованием стандартного инструмента.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении алмазного инструмента для бурения горных пород. Осуществляют прессование и спекание матрицы буровой коронки с использованием гранулированных алмазов с оболочкой. Диаметр оболочки гранулы d_Г выбран по формуле:

где К - коэффициент усадки материала оболочки гранулы алмаза при прессовании матрицы, К=0,45...0,56; d_a - диаметр алмазного зерна, м; А - коэффициент пропорциональности, А=400%; Г - коэффициент гранулы, Г=(50...400)%. В результате повышается стойкость алмазных коронок и механическая скорость бурения, а также качество обработки. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления алмазных буровых коронок, включающий использование гранулированных алмазов с оболочкой, прессование и спекание матрицы буровой коронки, отличающийся тем, что используют гранулированные алмазы с диаметром оболочки d_Г, определенным по формуле

где К - коэффициент усадки материала оболочки гранулы алмаза при прессовании матрицы, К=0,45...0,56;

d_a - диаметр алмазного зерна, м;

А - коэффициент пропорциональности, А=400%;

Г - коэффициент гранулы, Г=(50...400)%.