RU2195388C2 - Method for strengthening hard-alloy and diamond tools for drilling rocks - Google Patents

Abstract

FIELD: machine engineering, possibly strengthening hard-alloy and diamond tools for drilling rocks. SUBSTANCE: method is realized due to irradiation of tool by doze power 0.15-0.18 R/s in reactor space of stopped industrial uranium-graphite reactor. EFFECT: enhanced efficiency of strengthening hard-alloy and diamond tools used for drilling wells in different types of rocks. 1 cl, 3 tbl, 2 ex

Description

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. The invention relates to mechanical engineering and can be used for hardening carbide and diamond tools for drilling rocks by irradiating the tool in the reactor space of a stopped industrial uranium-graphite reactor, thereby increasing the life of the tool.

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).A known method of processing a carbide tool, including ionizing radiation, in which the product is irradiated with beta rays, protons and He ⁺ ions in a vacuum or inert gas atmosphere (UK application 14852, CL 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. The disadvantage of this method is the complexity of its implementation, as well as the fact that only the surface of the tool is hardened and after regrinding, repeated processing is required.

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.). The closest algorithm is a method of hardening carbide and diamond tools for drilling rocks, including heat treatment, characterized in that the heat treatment uses cold treatment by immersing the tool in liquid nitrogen, and after cold treatment irradiation with gamma rays (patent 2101456, 1998 g.).

Недостатком известного способа является сложность его реализации в технологическом отношении и большие экономические затраты. The disadvantage of this method is the complexity of its implementation in technological terms and high economic costs.

Задачей изобретения является разработка технологического способа упрочнения твердосплавного и алмазного инструмента, применяемого для бурения скважин в различных горных породах. The objective of the invention is to develop a technological method of hardening carbide and diamond tools used for drilling wells in various rocks.

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. To achieve this goal in a method of processing a carbide rock cutting tool, mainly diamond-containing, including irradiation of the tool, the tool is irradiated in the reactor space of a stopped industrial uranium-graphite reactor.

Облучение приводит к существенному увеличению стойкости твердосплавного и алмазного инструмента при бурении скважин в горных породах. Irradiation leads to a significant increase in the durability of carbide and diamond tools when drilling wells in rocks.

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. The hard alloy is in a state very far from the state of thermodynamic equilibrium, the achievement of which is impeded by defective and impurity rearrangements. In the VK-8 carbide used for the manufacture of rock drilling tools, defective areas are concentrated at the WC-Co interface. In a hard alloy with diamond grains embedded in a matrix, which is a hard alloy of the VK-8 type, defective regions are located at the diamond-hard alloy grain interface. In the process of irradiation, annihilation of interstitial atoms with genetically related vacancies occurs. During annihilation, the energy stored in the crystal is released, which leads to an increase in temperature in the local region of the hard alloy, interstitial metastable atoms located in the region of elevated temperature receive enough energy to overcome the annihilation barrier, and either annihilate with vacancies that are “stoppers” of the dislocation, or migrate to drains, which are the boundaries of diamond grains - hard alloys. When vacancies are annihilated, dislocations are removed from the “stoppers” and occupy the most energetically favorable positions, i.e. restructuring of the dislocation occurs. Since the maximum amount of dislocation is located at the diamond – hard alloy grain interface, restructuring of the dislocation leads to the elimination of pores in this region and the fixing of diamond grains in the carbide matrix. In addition, the liberated interstitial atoms of the cobalt bond of the hard alloy diffuse into diamond grains due to a sharp increase in the diffusion coefficient of cobalt, which also contributes to the fixation of diamond grains in the carbide matrix. All this leads to increased abrasion resistance of the tool. So, with the same drilling of wells under the same conditions, 82 grains of diamond were lost in unirradiated crowns, while in irradiated crowns only 43 grains were lost.

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. Analysis of the hard alloy by secondary ion mass spectrometry showed that after irradiation a new phase appears, which is absent in the analysis of the initial samples. The appearance of a new phase and a change in the defectiveness of the material also changed the nature of the fracture of the hard alloy. This was confirmed when studying the fracture surface by the replica method on an EPM-100L transmission electron microscope with a resolution of 20 A. Irradiation of the hard alloy substantially changes the nature of the fracture. First, pores along cleavage fins disappear, and their number decreases at the WC-Co boundary. Secondly, on the surface of tungsten carbide there are elements of a viscous fracture - tear ridges, a streamy pattern. Thirdly, the stretching of the cobalt bond around the tungsten carbide particles decreases.

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. Irradiation of the tool removes mechanical stresses, increases the ductility and elastic limit of its entire volume (Table 1), while cracks are eliminated and the friction coefficient of the hard alloy, in which diamond grains are fixed, is reduced.

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. Thus, in the composite diamond-containing materials from which the armament of diamond crowns is made, along with the hardening of the matrix, the adhesive properties of the diamond grains and the matrix material increase, which is accompanied by an improvement in their mutual adhesion. The crown matrix reliably holds diamond grains in the process of rock destruction, which leads to an increase in the working period of diamond grains, and, consequently, the crown resource as a whole.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами. The invention is illustrated by the following examples.

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. Example 1. Spend irradiation of carbide drill bits CA-5 with a diameter of 76 mm Crowns are irradiated in the reactor space of a stopped industrial uranium-graphite reactor at a dose rate of 0.15 - 0.18 R / s. Two batches of crowns are tested: basic and irradiated in the reactor space of a stopped industrial uranium-graphite reactor. Geological and technical conditions for drilling wells: rocks - sandstone; the average category of rocks is 6.5; the depth of the wells is 100-200 m. Drilling is carried out on the SKB-4 drilling rig, the BMT-4 boron mast, the NB-32 boring pump, and the RT-1200 M pipe turn. Industrial water is used as the flushing fluid.

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. Optimal fixed operating parameters of drilling: axial load of 1000 kG; rotational speed 280 rpm; flushing intensity 100 l / min. The results of comparative tests of carbide drill bits are shown in table 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. Example 2. The diamond drill bits 01 A3 D40K40 are machined with a diameter of 59 mm. After irradiation in the reactor space of a stopped industrial uranium-graphite reactor at a dose rate of 0.15 - 0.18 R / s. Two batches of crowns are tested: basic and irradiated. Geological and technical drilling conditions: rocks - parfyrites; the average category of rocks is 9.0; the depth of the wells is 250-400 m. Drilling is carried out at the SKB-5 drilling rig, BMT-5 drilling mast, and NB-4 drilling pump. Process water is used as flushing fluid. Optimal fixed operating parameters of drilling: axial load of 1200 kG; rotation speed 407 rpm; washing intensity 60 l / min. The results of comparative tests are given in table. 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. The above results indicate that irradiation in the reactor space of a stopped industrial uranium-graphite reactor leads to an effective increase in penetration to the crown and the mechanical drilling speed of carbide and diamond rock cutting tools.

Claims (1)

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. The method of hardening carbide and diamond tools for drilling rocks, including irradiation, characterized in that the irradiation of the tool is carried out at a dose rate of 0.15-0.18 R / s in the reactor space of a stopped industrial uranium-graphite reactor.

Images