способ упрочнения твердосплавного и алмазного инструмента для бурения горных пород

Формула изобретения

Способ упрочнения твердосплавного и алмазного инструмента для бурения горных пород, включающий облучение, отличающийся тем, что облучение инструмента проводят при мощности дозы 0,15-0,18 Р/с в реакторном пространстве остановленного промышленного уран-графитового реактора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для упрочнения твердосплавного и алмазного инструмента для бурения горных пород путем облучения инструмента в реакторном пространстве остановленного промышленного уран-графитового реактора, вследствие чего повышается ресурс работы инструмента.

Известен способ обработки твердосплавного инструмента, включающий ионизирующее облучение, в котором изделие облучают бета-лучами, протонами и He^+- ионами в вакууме или атмосфере инертного газа (заявка Великобритании 14852, кл. В 22 F 3/24, 1977).

Недостатком известного способа является сложность его реализации, а также то, что упрочняется только поверхность инструмента и после его переточки требуется проведение повторных обработок.

Наиболее близким алгоритмом является способ упрочнения твердосплавного и алмазного инструмента для бурения горных пород, включающий термообработку, отличающийся тем, что в качестве термической обработки используют обработку холодом путем погружения инструмента в жидкий азот, а после обработки холодом проводят облучение гамма-квантами (патент 2101456, 1998 г.).

Недостатком известного способа является сложность его реализации в технологическом отношении и большие экономические затраты.

Задачей изобретения является разработка технологического способа упрочнения твердосплавного и алмазного инструмента, применяемого для бурения скважин в различных горных породах.

Для достижения поставленной цели в способе обработки твердосплавного породоразрушающего инструмента, преимущественно алмазосодержащего, включающем облучение инструмента, инструмент облучают в реакторном пространстве остановленного промышленного уран-графитового реактора.

Облучение приводит к существенному увеличению стойкости твердосплавного и алмазного инструмента при бурении скважин в горных породах.

Твердый сплав находится в состоянии, весьма далеком от состояния термодинамического равновесия, достижению которого препятствуют дефектные и примесные перестройки. В твердом сплаве ВК-8, применяемом для изготовления инструмента для бурения горных пород, дефектные области сосредоточены на границе раздела WC-Co. В твердом сплаве с вкрапленными зернами алмаза в матрицу, представляющую собой твердый сплав типа ВК-8, дефектные области расположены на границе раздела зерно алмаза - твердый сплав. В процессе облучения происходит аннигиляция междоузельных атомов с генетически связанными вакансиями. При аннигиляции выделяется запасенная в кристалле энергия, что приводит к повышению температуры в локальной области твердого сплава, междоузельные метастабильные атомы, расположенные в области повышенной температуры, получают энергию, достаточную для преодоления барьера аннигиляции, и либо аннигилируют с вакансиями, являющимися "стопорами" дислокации, либо мигрируют к стокам, в качестве которых выступают границы алмазного зерна - твердого сплава. При аннигиляции вакансий дислокации снимаются со "стопоров" и занимают наиболее выгодные в энергетическом отношении положения, т.е. происходит перестройка дислокации. Поскольку максимальное количество дислокации расположено на границе раздела зерно алмаза - твердый сплав, то перестройка дислокации приводит к устранению пор в этой области и закреплению зерен алмаза в твердосплавной матрице. Кроме того, освобожденные междоузельные атомы кобальтовой связки твердого сплава диффундируют в зерна алмаза за счет резкого увеличения коэффициента диффузии кобальта, что также способствует закреплению зерен алмаза в твердосплавной матрице. Все это приводит к повышению абразивной стойкости инструмента. Так, при одной и той же проходке скважин в одинаковых условиях в необлученных коронках было потеряно 82 зерна алмаза, тогда как в облученных коронках только 43.

Анализ твердого сплава методом масс-спектрометрии вторичных ионов показал, что после облучения появляется новая фаза, отсутствующая при анализе исходных образцов. Появление новой фазы и изменение дефектности материала изменило и характер излома твердого сплава. Это подтверждено при изучении поверхности разрушения методом реплик на просвечивающем электронном микроскопе ЭПМ-100Л с разрешением 20 А. Облучение твердого сплава существенным образом меняет характер излома. Во-первых, поры вдоль ребер спайности исчезают, и уменьшается их количество на границе WC-Co. Во-вторых, на поверхности карбида вольфрама появляются элементы вязкого излома - гребни отрыва, ручьистый узор. В-третьих, уменьшается вытяжка кобальтовой связки вокруг частиц карбида вольфрама.

Облучение инструмента снимает механические напряжения, повышает пластичность и предел упругости всего его объема (табл.1), при этом устраняются трещины и уменьшается коэффициент трения твердого сплава, в котором закреплены зерна алмаза.

Таким образом, в композиционных алмазосодержащих материалах, из которых изготавливают вооружение алмазных коронок, наряду с упрочнением матрицы повышаются адгезионные свойства зерен алмазов и материала матрицы, что сопровождается улучшением их взаимного сцепления. Матрица коронки надежно удерживает зерна алмазов в процессе разрушения горной породы, что приводит к увеличению работоспособного периода алмазных зерен, а следовательно, и ресурса коронки в целом.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Проводят облучение твердосплавных буровых коронок СА-5 диаметром 76 мм. Коронки облучают в реакторном пространстве остановленного промышленного уран-графитового реактора при мощности дозы 0,15 - 0,18 Р/с. Испытывают две партии коронок: базовые и облученные в реакторном пространстве остановленного промышленного уран-графитового реактора. Геолого-технические условия бурения скважин: горные породы - песчаник; средняя категория горных пород 6,5; глубина скважин 100-200 м. Бурение проводится на буровом станке СКБ-4, боровой мачте БМТ - 4, буровом насосе НБ-32, труборазвороте РТ-1200 М. В качестве промывочной жидкости используется техническая вода.

Оптимальные фиксированные режимные параметры бурения: осевая нагрузка 1000 кГс; частота вращения 280 об/мин; интенсивность промывки 100 л/мин. Результаты сравнительных испытаний твердосплавных буровых коронок приведены в табл.2.

Пример 2. Проводят обработка алмазных буровых коронок 01 A3 Д40К40 диаметром 59 мм. После облучения в реакторном пространстве остановленного промышленного уран-графитового реактора при мощности дозы 0,15 - 0,18 Р/с. Испытывают две партии коронок: базовые и облученные. Геолого-технические условия бурения: горные породы - парфириты; средняя категория горных пород 9,0; глубина скважин 250-400 м. Бурение проводят на буровом станке СКБ-5, буровой мачте БМТ-5, буровом насосе НБ-4. В качестве промывочной жидкости используется техническая вода. Оптимальные фиксированные режимные параметры бурения: осевая нагрузка 1200 кГс; частота вращения 407 об/мин; интенсивность промывки 60 л/мин. Результаты сравнительных испытаний приведены в табл. 3.

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что облучение в реакторном пространстве остановленного промышленного уран-графитового реактора приводит к эффективному повышению проходки на коронку и механической скорости бурения скважин твердосплавным и алмазным породоразрушающим инструментом.