Brevet FR2362992A1 — publié le 19780324

La présente invention concerne les fraises à surface dure des trépans de forage des sous-sols. La surface dure est obtenue par application d'un revêtement de carbure fritté sur ces fraises à dents en acier et ces surfaces des fraises sont également soumises à des traitements successifs au carbone et au bore. Un procédé habituel pour ralentir l'usure par abrasion des fraises à dents en acier est l'application d'un revêtement de carbure fritté à un ou plusieurs flancs des dens et surfaces. Un carbure fritté typique employé comme revêtement des dents des fraises, est une matière composite constitué par une matrice en acier allié dans laquelle sont dispersés des grains de carbu re de tungstène fritté, comme il est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3800 891. Le carbure fritté est appliqué par soudage par fusion de la surface ou par soudage "au tube" selon les procédés décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 260 579. Dans tous les cas, une soudure métallur gique résistante est obtenue, mais la fusion du métal de la dent provoque un certain affaiblissement de la dent, particulièrement dans le cas du procédé de soudage " au tube", qui fournit la meilleur résierance à l'usure.La cassure de la dent a par consé quent, constitué un problème avec le procédé de soudage "au tube" qui nécessite une plus grande expérience de la part du soudeur pour éviter d'endommager la dent. Le procédé de soudage par fusion de la surface nécessite moins d'expérience de la part du soudeur et provoque habituellement moins de dégâts aux dents. Dans le brevet des Etats-Unis d1Amérique No. 3 842 921 on décrit, comme solution aux problèmes de la cassure des dents, de remplacer cette technique d'application d'un revêtement de carbure fritté par un procédé de formation d'une surface externe dure de trépan,par cémentation au carbone et au bore suivie d'une trempe et d'un revenu . La surface traitée au carbone fournit une base résistante et dure pour la surface traitée au bore qui est très résistante à l'usure mais cassante de sorte que les risques de cassures sont réduits au minimum.Bien que de tels trépans ont été employés avec succès pour le forage, il I existe encore une nécessité de créer des dents de fraises ayant une meilleure résistance à l'usure, une meilleure résisstance mécanique et une meilleure propriété d'auto1ffutage. ! Le but de la présente invention est~4sLgaealiser trépan de forage des sous-sols dont les fraises comportent des dents résistantes à l'usure, solides et ayant des bonnes propriétés d'auto-affûtage. Ceci est obtenu d'une manière générale par application sélective de revêtements dures de carbure fritté sur des parties de surface des dents et par cémentation au carbone et au bore et ensuite par traitement thermique pour le durcissement. Pour porter la résistance de la dent au maximum, l'application du revêtement de carbure fritté doit se faire par un procédé de soudage avec fusion de la surface. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description suivante. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, on se référera aux dessins ot la figure 1 montre une vue en perspective d'un trépan de forage des sous-sols dont is fraises et les dents ont subi un traitement métallurgique et de durcissement selon la présente invention. La figure 1 montre un trépan de forage 11 typique comr portant un emmanchement 13 à fixer à une tiqe de foraqe, et trois ,ou bras dépendants sections de tête 17 qui portent chacun une fraise 19 pourvue de dents,pouvant tourner sur elle-même. Chaque fraise est montée de façon habituelle sur l'une des trois sections de tête 17 au moyen d'une cheville de support en porte-à-faux (non représentée) qui forme un support à l'intérieur de la fraise; Chque fraise 19 a une forme conique et cmmprend un certain nombre d'éléments de coupes ou dents 21 en acier faisant partie intégrante avec l'extérieur de la fraise 19 en acier. Dans chaque frise 19, se trouve une couronne annulaire 23 de dents 21 adjacentes à une surface latérale 25. I1 y a également une rangée annulaire 27 intermédiaire et l'une des fraises, habituellement appelée fraise principale comprend une pointe 29. I1 existe différentes formes de dents et d'écartements dans les fraises et la présente invention n'est pas limite aux dessins représentés dans la figure. Chaque dent 21cl? la couronne annulaire 23 comprend une couche d'un carbure fritté 31 sur son flanc ou côté avant. Lorsque le trépan tourne vers la droite, ce flanc vient en contact avec la formation rocheuse avant le flanc opposé ou arrière. La rangée intermédiaire 27 comprend une couche de carbure fritté 33 sur son flanc arrière. La pointe 29 comprend une couche de carbure fritté 35 sur son flanc arrière. La surface externe du trépan - - - - - - - - - - - est - 19, y compris les dents et les surfaces entre les dents,/soumise à un traitement au carbure et au bore après l'application de la couche de carbure fritté. La matière composite dure comprend des grains abrasifs, résinant à l'usure, dispersés dans une matrice métallique.De préférence, les grains résistant à l'usure sont du carbure de tungstène fritté dans une-matrice d'acier allié, comme il est montré dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 800 891. Les grains sont du carbure de tungstène fritté dans un liant du groupe fer de préférence le cobalt, comprenant trois à 15% de grains. La matrice, désignant la matière immédiatement entourant les grains de carbure de tungstène, qui a été fondue et ensuite resoldifiée pendant le procédé de soudage, comprend la partie de la surface du trépan qui a été fondue pendant le soudage ainsi que toute matière ajoutée aux grains de carbure de tulq;tène fritté. La matricesedistingue du cobalt ou des autres liants qui entourent les grains de carbure de tungstène et les lient ensemble en une umte cohérente. L'acier allié est tenace et assez dur, ayant une dureté comprise entre 44 et 63 sur l'échelle Rockwell C et, de préférence, entre 58 et 62 dans ce domaine.Dans le procédé préféré, l'acier allié de la matrice provient entièrement du trépan en acier allié lequel est typiquement un acier au nickl-molybdène. Le procédé préféré pour appliquer un revêtement de métal dur est le procédé de soudage avec fusion de la surface du support. Dans ce procédé de soudage, des grains de carbure de tungstène fritté sont passés au tamis et on sélectionne les grains dont la dimension est comprise entre 0,05 à 0,11 cm. On applique une solution aqueuse de silicate de sodium aux flancs de dents à enduire. Les grains de carbure de tungstène fritté sont parsemés sur la surface humide, et on permet à l'eau de s'évaporer. On chauffe ensuite la surface au moyen d'un chalumeau de soudage jusqu'à ce que l'acier soit suffisamment ramolli pour permettre aux grains de s'enfoncer jusqu'à ce qu'environ la moitié de chaque grain se trouve en-dessous de la surface, et ensuite on écarte le chalumeau et on permet à la surface de refroidir. L'épaisseur de la ratière dure appliquée est généralement comprise entre 0,03 à 0,06 cm. Ensuite on procède à une cémentation au carbone et au bore de la surface externe du trépan suivi d'un traitement thermique comme il est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 842 921. Selon le procédé préféré, après l'application du revêtement de matière dure, on procède à une cémentation gazeuse au carbone de la surface externe du trépan et des autres surfaces choisies pour obtenir me enveloppe dure d'au moins 0,76 mm et, de préférence, comprise entre 1,52 à 3,55 mm, la teneur en carbone à la surface étant de l,0%. La cémentation a lieu dans un four à 927 C durant 19 heures, en présence d'un gaz endothermique enrichi de méthane pour obtenir un potentiel de carbone de 1,35% de sorte qu'on obtient une épaisseur de revêtement de 2,28 mm.L'analyse du gaz de cémentation donne les résultats suivants: 40% N2 20% C0 (C02environ 0,058) 38% H2 2 % CH4 Ensuite, on procède à une cémentation en masse au bore de toutes les surfaces externes de chaque cône à l'exception des surfaces arrières et des surfaces internes. La poudre de cémentation en masse au bore comprend 40 - 80% B4C, 2 à 50% de graphite, 1 à 4% KHC03 ou Na2C03, le complément étant constitué de jusqu'à 20% d'impuretés. Environ 90% des particules ont une dimension plus petite que 100,6 . La température pour la cémentation au bore est de 899 0C dans une atmosphère de carburation ayant un potentiel de carbone de 1,0*. La durée d'un traitement typique est de 8 heures, ce qui donne une enveloppe de bore ayant une épaisseur de 0,12mm.Néanmoins, des épaisseurs de bore satisfaisantes peuvent se situer entre 0,025 mm à 0,25 mm. On procède ensuite à une trempe et à un revenu selon différents procédés connus. Un procédé consiste en une double trempe à partir d'une atmosphère dégageant du C ayant un potentiel de 0,85% de carbone a 843 C et 782 C respectivement. Ceci empêche une décarburation ou une oxydation du revêtement de bore. Le revenu nu consiste de préférence en un traitement de 1 heure à 1660C pour communiquer une tenacité au revêtement de carbone sans abaisser de façon appréciable sa résistance pour produire une martensite après revenu. L'enveloppe de bore a une dureté de surfait ce comprise entre 900 à 2100 KHN. Les procédés de durcissement et de revenu developpent une du etd dans lva partie carburisée comprise entre 50 à 64 sur l'échelle Rockwell C (550-800 KHN). Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par lthomme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exempies non limita- tifs sans sortir du cadre de l'invention. Revendications: 1. Trépan de forage des sous-sols comprenant des fraises en rotation pourvues de dents, caractérisé en ce qu'il comprend un revêtement de matière composite dure sur des parties de surface choisies de ces dents, ce revêtement dur étant constitué de grains résistants à 1'usure dispersés dans trine matice métallique, un revêtement obtenu par cémentation au carbone sur la surface externe du trépan, et un revêtement obtenu par cémentation au bore sur le revêtement au carbone, ce dernier étant soumis à un traitement thermique tel que le revêtement au bore se trouve sur une base de support dure et tenace qui résiste à la déformation. 2. Trépan selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fraises en rotation comportent des dents en acier et comprennent un revêtement de matière dure de carbures fritté sur au moins 1 flanc d'un nombre choisi de dents, ce revêtement étant constitué de grains abrasifs, dispersés dans une matrice métallique selon Z procédé de soudage avec fusion de la surface du support, et en ce qu'elles comprennent un revêtement au carbone sur presque la totalité des surfaces externes restantes des fraises, et un revêtement au bore sur le revêtement au carbone, le revêtement au carbone étant soumis à un traitement thermique tel que le revêtement au bore repose sur une base de support rés i- stante et tenace qui résiste à la déformation. 3. Trépan selon la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement de matière dure sur au moins un des flancs d'un nombre choisi de dents est du carbure de tungstène dans une matrice placier allié. 4 Trépan selon la revendication 3, caractérisé en ce que seulement un flanc de chacune des dents choisies est enduit dsun revêtement de matière dure 5. Trépan selon la revendication 1,caractérisé en ce qulil comprend des fraises en rotation comportant des rangées annulaires de dents en acier et comprenant un revêtement de matière dure sur au maths un flanc d'un nombre choisi de ces dents, le revêtement étant du carbure de tungstène fritté dans une matrice d'acier aLlié, un revêtement au carbone sur ces dents choisies un revêtement au bore sur les dents carburisées choisies, le revêtement au carbone étant soumis à une trempe pour obtenir une structure martensitique et ensuite on procède à un revenu pour produire une dureté comparable à celle de la martensite après revenu. 6. Trépan selon la revendication 5 caractérisé en ce que sur chAque fraise une rangée annulaire de dents comprend un revêtement de matière dure seulement sur le flanc avant alors que la rangée adjacente de dents comprend le revêtement dur seulement sur le flanc arrière. 7. Trépan selon la revendication 6, caractérisé en ce que la rangée annulaire la plus externe comprend un revêtement de matière dure sur le flanc avant , abrs que les rangées internes adjacentes contiennent un revêtement de matière dure sur le flanc arrière. 8. Trépan selon la revendication 5, caractérisé en ce que le revêtement de matière dure a une épaisseur d'au moins 0,03 cm, le revêtement au carbone étant durci pour produire une dureté comparable à celle de la martensite après revenu. 9. Trépan selon la revendication 6, caractérisé en ce que le revêtement de matière dure a une épaisseur comprise entre 0,03 à 0,06 cm. 10. Trépan selon la revendication 9, caractérisé en ce que la totalité des dents sur chaque fraise comprend un revêtement de matière dure sur au moins un flanc. 11. Trépan selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un revêtement de matière dure, appliqué par soudage sur au moins un flanc d'un nombre choisi. de dents, comprenant des grains de carbure de tungstène fritté, tamisés au préalable pour avoir une dimension compise entre 0,005 à 0,11 cm et ensuite dispersés dans une matrice en acier allié, le revêtement de matière dure ayant une épaisseur d'au moins 0,03 cm un revêtement au carbone d'au moins 0,76 cm sur des parties choisies des fraises, un revêtement au bore d'au moins 0,025 mm sur le revêtement au carbone, le revêtement au carbone étant durci pour produire une dureté comparable à celle de la martensite après revenu. 12. Trépan selon la revendication 11, caractérisé en ce que le revêtement de matière dure a une épaisseur comprise entre 0,03 à 0,06 cm, le revêtement au carbone ayant une épaisseur comprise entre 2,03 mm à 25,4 mm sur des parties de surfaces choisies du trépan, et l'épaisseur du revêtement au bore se situant entre 0,10 à 0,127 mm sur le revêtement au carbone, la dureté de la surface du revêtement au carbone étant comprise entre 550 à 800 KHN, alors que la dureté de surface du revêtement au bore se situe entre 900 à 2100 KHN.