СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗУБКОВ ВООРУЖЕНИЯ КАЛИБРАТОРА СТВОЛОВ СКВАЖИН
METHOD OF FORMING TEETH FOR ARMING BOREHOLE CALIBRATOR

Изобретение относится к области износостойких композиционных спеченных материалов, применяемых для изготовления вооружения бурового инструмента и опорно-центрирующих устройств, полученных методами порошковой металлургии, в частности, устройств для калибровки ствола скважин.
Наиболее часто используемым материалом в производстве вооружения бурового оборудования являются вольфрамокобальтовые твердые сплавы, применяемые для изготовления зубков и армирования зубьев фрезерованных шарошек, козырьков лап и других частей бурового инструмента, подвергающихся в процессе работы абразивному износу.
Известен способ изготовления твердосплавных зубков для вооружения бурового инструмента из сплавов марок: ВК4-В, ВК8-ВК и ВК11-ВК. Из сплавов ВК4-В и ВК8-ВК изготавливают зубки формы Г-54 с плоской вершиной, используемые для армирования обратных конусов шарошек и козырьков лап. Из сплава ВК11-ВК изготавливают зубки всех остальных форморазмеров: от Г26 со сферической головкой, применяемых для бурения очень крепких пород, до клиновидных типа М, применяемых для бурения мягких абразивных пород (ОСТ 26-02-1315-84).
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является способ упрочнения бурового долота на основе композита "матрица-частицы" с твердосплавным упрочнением, включающим корпус, в основном сформированный из непропитанного композитного материала "матрица-частицы". По меньшей мере, на части поверхности корпуса размещен абразивный износостойкий материал. При этом данный материал получен путем нанесения композиции, содержащей: матричный материал, содержащий по меньшей мере 75 мас. % никеля и имеющий температуру плавления менее примерно 1460°C; множество спеченных зерен карбида вольфрама - 10 меш по ASTM, по существу случайно распределенных по матричному материалу и составляющих примерно от 3 до 5,5 мас. ч. композиции, причем каждое спеченное зерно карбида вольфрама содержит множество частиц карбида вольфрама, скрепленных связующим сплавом, имеющим температуру плавления более примерно 1200°C; и множество литых гранул карбида вольфрама -18 меш по ASTM, по существу случайно распределенных по матричному материалу и составляющих менее примерно 3,5 мас. ч. композиции (RU 2457281, 2007 г.).
К числу существенных недостатков известных технических решений, основанных на использовании для рабочей части зубков твердого сплава с упрочнением карбидом вольфрама, относятся недостаточно высокие показатели твердости и износостойкости, а также невысокие антифрикционные свойства.
Кроме того, недостатком использования для изготовления рабочей части зубка твердых сплавов является применение в качестве связующего кобальта, что увеличивает стоимость износостойкого материала.
Задачей настоящего изобретения является создание способа формирования рабочей части зубков вооружения калибратора стволов скважин, обеспечивающего повышение твердости и антифрикционных свойств, а также его стойкости к разрушению.
Поставленная задача достигается тем, что в способе формирования зубков вооружения калибратора стволов скважин предварительно замешивают на связующем порошок высокохромистого чугуна и самофлюсующийся порошковый сплав системы Ni-B-Si при следующем соотношении компонентов, мас. %:
порошок высокохромистого чугуна
89,0-91,0
самофлюсующийся порошковый сплав
системы Ni-B-Si
остальное до 100,
с получением матрицы, после чего в полученную матрицу добавляют упрочняющую фазу в виде карбида титана при соотношении, мас. %:
матрица
41-81
упрочняющая фаза
остальное до 100,
3
затем полученную смесь наносят на металлическую подложку, размещенную в оправке заданной конфигурации, соответствующей в плане торцевой поверхности хвостовика зубка, и уплотняют подвижным медным пуансоном под заданным давлением, полученный продукт спекают путем циклического пропускания через него электрического тока с удельной мощностью спекания в интервале 2000-2700 Дж/мм в течение 1,5-3,5 сек, после чего его охлаждают при комнатной температуре с получением зубка.
Целесообразно уплотнение смеси подвижным медным пуансоном производить под давлением не менее 120 даН.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении поддержания температуры плавления матрицы зубка ниже температуры начала растворения упрочняющей фазы и, как следствие, предотвращение диффузионного растворения упрочняющей фазы, приводящее в итоге к повышению эксплуатационных характеристик.
Способ осуществляют следующим образом.
Предварительно замешивают на связующем порошок высокохромистого чугуна и самофлюсующийся порошковый сплав системы Ni-B-Si при следующем соотношении компонентов, мас. %:
порошок высокохромистого чугуна
89,0-91,0
самофлюсующийся порошковый сплав
системы Ni-B-Si
остальное до 100,
с получением матрицы.
В качестве связующего используют глицерин.
В полученную матрицу добавляют упрочняющую фазу в виде карбида титана при соотношении, мас. %:
матрица
41-81
упрочняющая фаза
остальное до 100
Полученную смесь затем наносят на металлическую подложку, например, стальную, которая предварительно установлена в оправке заданной конфигурации, соответствующей в плане торцевой поверхности хвостовика зубка, и уплотняют смесь подвижным медным пуансоном под заданным давлением.
Значение давления уплотнения выбирают таким, чтобы не происходило выдавливание расплавленного материала из оправки и в полученном материале не образовывались поры.
3
Затем производят спекание полученной заготовки путем кратковременного нагрева посредством циклического пропускания через него электрического тока, обеспечивающего удельную мощность спекания в интервале 2000 - 2700 Дж/мм, в течение 1,5-3,5 сек, после чего его охлаждают при комнатной температуре.
Ниже приведены примеры конкретной реализации предлагаемого способа.
Примеры иллюстрируются чертежами, где на фиг. 1 схематично показано приспособление для формирования рабочей части зубка, на фиг. 2 представлены фотографии получаемых зубков.
Порошковую смесь 1 наносят на подложку цилиндрической формы 2 (фиг. 1) размером 0 12×5 мм, изготовленную из конструкционной стали. Формирование слоя осуществляют в специальной стеклянной втулке 3, которая помещена в металлическую втулку 4, с помощью пуансона 5, изготовленного из медного сплава.
3
Стеклянная втулка необходима для изоляции токоведущих частей приспособления. Спекание проводится путем пропускания тока величиной 4-6 кА, что обеспечивает удельную мощность спекания 2000-2700 Дж/мм, в течение 1,5-3,5 с.
Приспособление в сборе с образцом и слоем порошка зажимается между токоведущими электродами (не показаны). Подвижным электродом через пуансон усилие передают на слой порошка, обеспечивая его прессование, а пропусканием электрического тока - нагрев и спекание. Рекомендуемое давление при спекании составляет 120 даН. При этом давлении в полученном материале практически отсутствуют поры, и не происходит выдавливание расплавленного материала из приспособления. При меньшем значении давления в слое формируются поры и несплавления.
3
Готовый зубок, спеченный с режимами спекания: ток - 5,5 кА, время спекания - 3 с, удельная мощность спекания в этом режиме составляет 2300 Дж/мм, представлен на фиг. 2а.
3
На фиг. 2б представлен зубок, спеченный с режимами спекания: ток - 3,5 кА, время спекания 1,5 с, удельная мощность спекания в этом режиме составляет 1800 Дж/мм,
3
На фиг. 2в представлен зубок, спеченный с режимами спекания: ток-6,5 кА, время спекания 4 с, удельная мощность спекания в этом режиме составляет 3200 Дж/мм,
Процесс изготовления рабочей части зубка должен осуществляться путем кратковременного нагрева и охлаждения, обеспечивающего условия для плавления матрицы сплава, но предотвращающего диффузионное растворение карбида титана.
Готовый зубок, спеченный при силе ток 5,5 кА за время спекания 3 с, представлен на фиг. 2а. На фиг. 2б и 2в представлены зубки, спеченные с режимами, выходящими за указанный диапазон.
Химический состав матрицы сплава на железной основе подбирается таким образом, чтобы понизить температуру плавления до интервала 1150-1200°C, что обеспечивает условия для сохранения карбида титана в исходном состоянии. Введение присадки из Ni-B-Si-сплава обеспечивает повышение смачиваемости частиц карбида жидкой фазой за счет увеличения ее жидкотекучести.
Приведенные примеры иллюстрируют, но не ограничивают описываемое изобретение.
Преимуществом предлагаемого способа является возможность за счет применения метода электроконтактного спекания для формирования рабочей части зубка жестко регламентировать удельную тепловую мощность, подводимую к объему порошковой смеси. Это позволяет сократить до минимума время контакта жидкого расплавленного металла матрицы с карбидной фазой и тем самым предотвратить ее растворение.