Способ изготовления алмазной буровой коронки Советский патент 1984 года по МПК B22F3/14 E21B10/48 

Изобретение относится к технологи изготовления алмазного абразивного инструмента, а именно к технологии изготовления импрегнированных алмазных геологоразведочных коронок. Известен способ изготовления алмазных буроЬйК коронок методом холодного прессования матриц с последующей их пропиткой. Сущность метода заключается в формовании алмазосодер жащей матриф в специальной разборной стальной или графитовой прессформе, прессовании или давлении око 1 тс/см и посдедующей пропитке мат рицы пропиточным материалом в электр печах с восстановительной средой с одновременной припайкой ее к стально му корпусу коронки. При охлаждении коронки расплавленный металл затвердевает и цементирует матрицу. Матриц алмазных коронок при данной технологии имеют твердость, измеряемую от 10-15 до 30-45 НВС ij. Однако буровые коронки, изготавливаемые по этому способу имеют ограниченный срок службы из-за неравномерного износа алмазоносной матрицы в процессе бурения, вызываемого различным распределением возникающих напряжений по ширине матриць. Способ не позволяет получить алмазные буровые коронки, обладающие пере менной, наперед заданной и требуемой износостойкостью рабочего слоя по ширине. Кроме того, способ характери зуется невозможностью изготовления алмазных импрегнированных коронок с развитыми геометрическими формами, например с клиновидной, ступенчатой и другими формами алмазоносной матрицы, так как этот способ не обеспечивает получение матрицы сложной формы, обладакяцей одинаковой твердостью и, износостойкостью во всех ее участках из-за не одинаковой степени сжатия алмазоносной смеси корпу сом с ровным торцом в процессе прессования. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо му результату является способ изгото ления алмазной буровой коронки, вклю чающий укладку смеси алмазных зерен с наполнителем и связующим материало в пресс-форму, профиль которой соответствует торцовому профилю коронки, прессование корпусом коронки с одновременным нагревом до жидкотекучего состояния связующего материала или с последующей пропиткой, выдержку и охлаждение . Недостатком этого способа изготовления алмазных буровых коронок является ограниченный срок службы алмазоносных матриц из-за неравномерного их износа в процессе бурения, так как способ не позволяет получать алмазоносные матрицы с переменной, наперед заданной и требуемой, износостойкостью по ширине. Необходимость создания алмазного бурового инструмента, обладающего различной износостойкостью по щирине алмазоносного слоя, вытекает из анализа результатов отработки больщого количества серийно выпускаемых алмазных буровых коронок, оснащенных как природными, так и синтетическими алмазами. Статистические данные свидетельствуют, что большое число алмазных буровых коронок преждевременно выходит из строя по причине аномального (одностороннего) износа алмазоносного слоя, причем преобладающим является износ коронок по внутренней части матричного кольца при бурении трещиноватых горных пород. Таким образом, для успешного бурения трещиночатых горных пород необходимо создать алмазную буровую коронку, алмазоносная матрица которой была бы более износостойкой со стороны внутреннего диаметра. Цель изобретения - увеличение эксплуатационной стойкости коронки путем получения алмазоносного ра бочего слоя, обладающего заданной изностойкэстью по ширине торца матрицы. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления алмазной буровой коронки, включающему укладку смеси алмазных зерен с наполнителем и связующим материалом в пресс-форму, профиль которой соответствует торцовому профилю коронки, прессование корпусом коронки с одновременным нагре- вом до жидкотекучего состояния связующего материала или с последукнцей пропиткой., выдержку и охлаждение, торец корпуса для прессования имеет фасЪнный профиль, высота каждой i-й точки которого равна разности величин усадки алмазоносного слоя в процессе прессования в сечениях. параллельных оси коронки и проходящих через 1-ую точку и точку профи ля с минимальной.высотой, при этом величина усадки в ч-м сечении профиля определяется по формуле .-Н ) U);H. где It и ho- величина усадки алмазоносного слоя в процессе прессоваяия в i-м сечении и сечении, проходящем через точку Про филя с минимальной высо той; uJ- и ш.- требуемая износостойкость материала натрицы в. тех же сечениях: Н- и H(j -начальная высота алмазоносного слоя до прессования в тех же сечениях с учетом профиля графитопластивой формы. На фиг.1 показан корпус и алмазосодержащая шихта в графитовой форме положение до прессования; на фиг.2то же, в момент прессования и нагрева, на фиг.З - схема изготовления алмазной буровой коронки с развитыми геометрическими формами алмазоносной матрицы, имеющей форму одностороннего клина, обращенного вершиной к кернообразующей части и имеющей переменную, наперед заданную, износо стойкость по ширине. Сущность способа заключается в то что для прессования алмазных матриц буровых коронок методом горячего пре сования применяют стальной корпус 1, торцовая часть 2 которого имеет фасонный профиль,при этом участок торца .корпуса, под которым требуется получить более износостойкую матрицу должен иметь превышение по отношению к участку с менее износостойкой матрицей. Алмазоносную смесь 3 с твердосплавным наполнителем и легкоплавким пропитывающим материалом помещают в графитовую форму 4. В процессе нагрева и прессования алмазоносной смеси 3 принятым корпусом 1 в зависимости от его профиля происходит различное изменение высоты алмазоносной смеси 3 относительно его первоначального положения 5, т.е.. проис ходит уплотнение алмазоносной смеси с различной степенью сжатия. В результате этого под выступающей частью торца корпуса образуется участок алмазоносного слоя, обладающий более высокой концентрацией алмазов. Так как прессование матрицы производится с одновременным -нагревом смеси до жидкотекучего состояния связующего материала, то происходит его перераспределение, т.е. выдавливание части связукяцего материала из более сжатого в менее сжатый объем, обеспечивая тем самым получение соответственно участков с большей и меньшей твердостью. Таким образом, участок матрицы, обладающий более высокой концентрацией алмазов и более высокой твердостью, является и более износостойким по отношению к менее сжатому участку, причем износостойкость и степень сжатия находится в пропорциональной зав1|симости. В конечном результате, применяя различные варианты профиля торца корпуса коронки и тем самым обеспечивая различнзпо степень сжатия алмазоносной смеси на различных участках, возможно получение алмазных буровых коронок, обладающих переменной, наперед заданной, износостойкостью по щирине алмазоносной матрицы. Решение задачи сводится к определению величины превьш1ения выступающих участков на торце корпуса, а эти превьш1ения должны соответствовать разности величины усадки алмазойоснрго слоя в процессе прессования. Величина усадки алмазоносного слоя h- и требуемая износостойкость u). в любом i -ом сечении профиля Находятся в следующей зависимости u)H.(H,-l.,) де 1i и - величина усадки алмазной смеси в.процессе прессования в i-M сечении и сечении, проходящем через течку профиля с минимальной высотой, мм; U). и требуемая изностойкость материала матрицы в тех же ceчeнияx отн.ед. и д - начальная высота алмазоносного слоя до прессования в тех же сечениях с учетом профиля графитопластовой формы,мм. Таким образом, исходя из конструк тивных размеров алмазной буровой коронки и задаваясь требуемым соотношением величин износостойкости различных участков алмазоносной матрицы находят соответствующие величины усадки алмазоносной смеси в процессе прессования и затем определяют профиль торца корпуса. Пример. Необходимо изготовит алмазную импрегнированную буровую ко ронку 0 76 мм, матрица которой имеет форму одностороннего клина с вершиной, имеющей угол 45 и обращенной к внутренней, кернообразующей части коронки, причем износостойкость матр цы, например стандартная с внешней стороны, должна равномерно увеличиваться по всей ширине от внешней до внутренней поверхности матричного кольца и отношение ее крайних значений должно быть равным 1:1,5,т.е. износостойкость матрицы со стороны внутреннего диаметра должна быть в 1,5 раза вьппе, чем со стороны наружного. Высота алмазного слоя в гот вом изделии с внешней стороны должна быть не менее 3 мм, ширина матричног кольца 9 мм. 1 Поставленная задача может быть решена способом изготовления алмазных буровых коронок методом горячего прессования с использованием корпуса, торцовая часть которого выполнена в виде усеченного конуса (см.фиг.3). Для изготовления корпуса коронки с таким торцом, обеспечивающим получение требуемого соотношения износостойкостей участков матрицы, необходимо.определить величину превьш1ения вершины наиболее высокой точки А относительно точки профиля с наименьшей высотой - относительно внешней точки профиля С. Так как величина превьш1ения в данном случае равна разности величин усадки алмазоносной смеси в процессе пресования в крайних точках, необходимо определить их значения по приведенной выше зависимости 1,, Н.где tr- величина усадки алмазной сме си в процессе прессования в сечении профиля, проведен I ном через точку А параллель оси вращения коронки to же, в сечении профиля, проведенном параллельно оси вращения коронки через точку С с минимальной высотой. Ее значение определяют из следующих соображений. Высота алмазного слоя в готовом изделии должна быть не менее 3 мм со стороны наружного диаметра, матрица должна быть стандартной, т.е. ее твердость должна быть равна 20-25 единиц НРС. Для выполнения этих требований согласно технологии изготовления алмазных изделий указан«ым сЛособом начальная высота алмазоносной смеси до прессования должна быть на АО-45% больше, чем высота алмазного слоя в готовом изделии, что составляет величину усадки равной 3,0x43% 1,3 мм и) И сОр- требуемая наибольшая и наименьшая износостойкость материала матрицы, выраженная соотношением 1,5:1; и Hjj- начальная высота алмазоносного слоя до прессования в тех же сечениях Нр ,,3+3,,3 мм Н.- значение увеличивается за счет углубления профиля графитопластовой формы на 9 мм и равно Н. Н,+9,,3+9,,3 мм ) 13,з-15Пг35 S--wr 1,5х (4,3-1,3) 7,1 мм. х4,3 Величина превышения вершины конуса А относительно его основания составляет,1-1,,8 мм, что соответствует углу ВАС, равному 58 . Таким образом, необходимо исользовать корпус буровой коронки с торцовой частью, выполненной н пил усеченного конуса с вершиной, .имеющей угол 116°. R дальнейшем все операции производят в соответствии с технологией изготоплекия алмазных буровых коронок методом горячего прессования. Алмазоносную смесь, сос тоящую из алмазных зерен, гранулированных твердосплавным наполнителем и порошком легкоплавкого связующего материала, помещают в графитопластовую форму, укладьгеают подрезные элементы и приварочный слой. Затем уста навливают корпус буровой коронки с торцом в виде, усеченного конуса и производят нагревание пресс-формы и находящейся в ней алмазоносной смеси током- высокой частоты до 1180°С с одновременным сжатием на гидравлическом прессе с усилием Р 100 «ГС/см . После окончания операции пресс-форма охлаждается и коро ка поступает на механическую обработ ку. Предлагаемый способ позволяет устранить некоторые недостатки изготовления алмазных коронок методом холодного пpeccoвaнияJ одним из недостатков указанного способа является невозможность изготовления импрегнированных алмазных буровых коронок с развитыми геометрическими формами алмазной матрицы, например с клиновидной ступенчатой и другими сложными формами, обладающих высокой износостойкостью выступающих элемен тов матрицы. В существующих типах алмазных импрегнированных буровых коронок с развитыми геометрическими формами типа БСМ, БСТ, БСБ -ССК в процессе отработки происходит повышенный износ выступающих элементов режущей части матрицы, вследствие чего теряются их конструктивные преимущества и эффективность. Основная причина такого аномального износа выступающих элементов матрицы заключается в том, что в процессе холодного прессования алмазоносная смесь имеет способность сжиматься до определенной величины, определяемой конкретным значением пористости. Поэ тому алмазоносная смесь, находящаяся в графитовой форме со сложной конфигурацией, спрессовывается ровным корпусом с неодинаковой степенью сжа тия, и наиболее высокие и выступающи части алмазоносной матрицы оказывают I 1 ся недопрессо1 аниыми по отношению к максимально спрессованпьм низким участкам. Недопрессовка отдельных участков матрии. приводит к снижению концентрации алмазон и твердости, т.е. к снижению износостойкости этих участкоп по отношению к нормально спрессованным. Предлагаемый способ позволяет устраршть указанный недостаток путем использования ;гля прессования матрицы коронки корпуса с фасонньгм профилем торцовой части и изготовлять способом холодного прессования алмазные 1тмпрегнированные буровые коронки с развитыми геометрическими формами режущей части, обладающей высокой износостойкостью всех элементов матрицы. Решение задачи в этом случае производится аналогичным образом, что и при горячем прессовании, путем определения формы и размеров фасонного профиля торца корпуса буровой корон1:и. Значения износостойкости UJ. и ш , вводимые при этом в напряжение, принимаются равными на всех участках и их отношения должны равняться единице. Получение высокой износостойкости матрицы всех ее элементов в этом случае достигается прессованием алмазоносной смеси специальным корпусом с одинаковой степенью сжатия, что обеспечивает получение высокой твердости матрицы и одинаковой концентрации алмазов во всех ее участках. Для производственных испытаний изготовлены по предлагаемому способу две партии опытных коронок типа БСТ 9 76 мм, отличающихся по конструкции корпуса - одна партия с ровным торцом корпуса, другая с фасонным, выполненнь1м в виде усеченного конуса с углом при вершине ... В результате проведенных испытаий определено, что общая проходка на коронку с фасонным профилем торца корпуса выше на 38% по сравнению с коронками с ровным торцом корпуса. ри этом износ профиля матрицы этих оронок происходит более равномерно о всему объему с сохранением клиноидной i формы, в то время как в баовых коронках происходит увеличеный износ выступакицей части с постеенным закруглением торца коронки.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОЙ БУРОВОЙ КОРОНКИ, включающий укладку |Смеси алмазных зерен с наполнителем и связукщим материалом в пресс-форму, профиль которой соответствует торцовому профилю коронки, прессование корпусом коронки с одновременным нагревом до жидкотекучего состояния связующего материала или с последующей пропиткой, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью увеличения эксплуатационной стойкости коронки путем получения алмазоносного рабочего слоя, обладающего заданной износостойкостью по ширине, торец корпуса для прессования имеет фасонный профиль, высота каждой t-и точки которого равна разности величин усадки алмазоносного слоя в процессе прессования в сечениях, параллельных оси коронки и проходящих через i-ую точку и точку профиля с минимальной высотой, при этом величина усадки в i-м сечении профиля определяется по формуле 1,-H.-.1VV(VM , -,. ч,.н, где Ь и Ьц - величина усадки алмазоносного слоя в процессе прессования в i-м сечении и сечении, про(О ходящем через точку про филя с Минимальной выС сотой-, а с wJ - требуемая износостойкость to. и материала матрицы в тех же сечениях; Н. и Нд - начальная высота алмазоносного слоя до прессования в тех же сечениях с учетом профиля графите00 00 00 пластовой форм1)1.