ШАРОШКА

Полезная модель относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к буровому инструменту, в частности к шарошечным долотам.
Известна шарошка, содержащая конический корпус с покрытием на его внешней поверхности и жестко соединенные с ним породоразрушающие элементы, в виде фрезерованных зубьев. Покрытие выполнено в виде наплавки твердым сплавом, включающей множество покрытых алмазных частиц и множество частиц карбида вольфрама, расположенных в материале связки, выбранным из группы, которая включает в себя кобальт, никель, медь, железо и их сплавы (Патент РФ. №2167262, кл. Е 21 В 10/50, опубл. 2001 г.)
Известное покрытие долговременно защищает поверхность корпуса шарошки от истирания, что способствует обеспечению стабильности соединения фрезерованных зубьев с корпусом шарошки на протяжении всего срока ее работы. Вместе с тем, известное решение обладает следующими недостатками.
Покрытие наносится путем наплавки или другой технологии (сварки, лазерной сварки, плазменного напыления и/или газопламенного напыления), объединеной с наплавкой карбида вольфрама или другими видами наплавки или оплавления. Как известно, наплавка или оплавление производится при высоких температурах, поэтому в процессе нанесения покрытия перегревается основная деталь, что приводит к деформации и разупрочнению основного металла, из которого выполнен корпус шарошки. Кроме того, при оплавлении частиц возникает много окислов, что также снижает адгезионные и коррозионные характеристики покрытия.
Задачей заявленного решения, является создание такого покрытия на поверхности корпуса шарошки, которое бы, обладая высокими адгезионными характеристиками, предотвращало коррозию, износ и абразивное истирание
корпуса шарошки в тяжелых условиях скважинного бурения и, тем самым, позволило бы увеличить срок службы шарошки и избежать нежелательного отделения породоразрушающих элементов от ее корпуса.
Задача решается тем, что у шарошки, содержащей корпус с породоразрушающими элементами, например зубьями или штырями, выполненный с покрытием на его внешней поверхности, покрытие выполнено в виде напыленного высокоскоростным газопламенным методом слоя на основе порошка, включающего карбид вольфрама и кобальт или карбид вольфрама и сплав кобальта с хромом.
Нанесение покрытия на поверхность корпуса шарошки высокоскоростным газопламенным методом позволяет существенно повысить адгезионные характеристики (до значений свыше 80 МПА), а также произвести покрытие корпуса при низкой температуре (≈120°), которая никак не повлияет на основной материал корпуса.
Состав покрытия, включающего карбид вольфрама и материал связки, в качестве которого выбирают или хром или сплав кобальт-хром, обеспечивает долговременную устойчивость к коррозии и абразивному истиранию в ходе скважинных операций бурения. Если работа шарошки производится в особо агрессивных средах, включающих кислый компонент, например, соли кислот, то в качестве материала связки выбирается сплав кобальта с хромом. В остальных случаях в качестве материала связки достаточно использование кобальта.
На чертеже в качестве примера представлена коническая шарошка, содержащая корпус 1 с породоразрушающими элементами, выполненными в виде выфрезерованных зубьев 2. Породоразрушающие элементы шарошки могут быть также выполнены в виде твердосплавных вставных зубков или штырей. Шарошка установлена на несущем рычаге 3 посредством шпинделя 4 с возможностью вращения. Конусные шарошки обычно изготовляют из прочного и пластичного стального сплава, имеющего высокую прочность,
хорошую ударную вязкость и приемлемую обрабатываемость и, вместе с тем не обеспечивающего долговременную стабильность режущих поверхностей, так как такие сплавы подвержены быстрому износу при скважинных операциях бурения.
2
Для увеличения скважинного срока службы шарошки на внешнюю поверхность ее корпуса 1 между зубьями 2 нанесено защитное покрытие из твердого износостойкого материала. Покрытие выполнено в виде напыленного слоя 5 на основе порошка, каждая из частиц которого включает в себя частицы карбида вольфрама, диспергированные в материале связки, в качестве которого выбирается либо кобальт либо сплав кобальта с хромом. В качестве карбида вольфрама может быть использован карбид моновольфрама (WC), карбид бивольфрама (WC) или маркрокристаллический карбид вольфрама.
Слой 5 нанесен на поверхность корпуса 1 методом высокоскоростного газопламенного напыления, позволяющего производить покрытие при температуре 120°, не объединяя его со сварочными методами наплавки или оплавления. Процесс высокоскоростного газопламенного напыления осуществляется за счет использования энергии сверхзвуковой газовой струи, образующейся в результате сгорания газообразного пропана в воздухе. В процессе напыления температура частиц порошка ниже температуры плавления, а их скорость достигает значений свыше 800 м/с. Относительно низкая температура газовой струи и отсутствие свободного кислорода обеспечивают низкое содержание оксидов в покрытии. Частицы порошка покрытия, обладая высокой кинетической энергией при соударении с поверхностью корпуса шарошки (и переходе кинетической энергии в тепловую) образуют металлическую связь с материалом, из которого он выполнен. Адгезия покрытия к материалу корпуса шарошки превышает 80 МПА, а пористость составляет менее 0,3%.
При работе шарошки в составе шарошечного бурового долота покрытие, обладающее высокой стойкостью к абразивному истиранию и
износу и коррозионной стойкостью долговременно защищает поверхность корпуса от истирания, особенно в местах стыков с зубьями, что практически исключает отделение зубьев от корпуса шарошки.
Полезная модель позволяет значительно увеличить скважинный срок службы шарошки.