ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Известны конструкции буровых коронок, состоящие из корпуса, в гнезде которого впаяны твердосплавные вставки. При этом используется способ армирования пайкой. В качестве припоя, фиксирующего твердосплавные вставки в корпусе коронки, используются медно-цинковые сплавы (латуни). Недостатки этих конструкций заложены уже в самом способе соединения, когда вместо требуемого увеличения объема кристаллизующейся (остывающей в простенках) латуни происходит уменьшение объема вследствие литейной усадки при кристаллизации (величина усадки даже чистых меди и цинка составляет 1.6%). Отсюда наличие непропоев остаточных напряжений и, как следствие, низкая эксплуатационная стойкость инструмента при неоправданно высоких энергоемкости и трудоемкости процесса.

Оперируя параметрами кристаллических решеток и атомными радиусами, участвующих в процессе элементов Си,znиfe, несложно показать, что в процессе пайки не может иметь место диффузионное проникновение в решеткуg-feатомов Си иzn, ни образование атомарных связей даже в пределах нескольких атомных слоев (плоскостей), которые гарантировали бы прочность сопряжения. Последняя реализуется только благодаря возникающему в стыке заклиниванию, чего явно недостаточно.

Известны способы армирования коронок, в которых между твердосплавными вставками и стенками гнезд располагают компенсирующие прокладки. Однако и при таких способах армирования применяется пайка с сохранением тех же дефектов, что и в первом случае.

В конструкциях высокостойкого зарубежного бурового инструмента для крепления твердосплавных вставок также используются прокладки. Однако процесс пайки, как малоэффективный, не предусматривается. Твердосплавные элементы в сборе со специальными прокладками впрессовываются в соответствующие гнезда корпусов коронок с обеспечением необходимого натяга, гарантирующего необходимую надежность и работоспособность. Наличие же в простенках только пластически деформированных прокладок без применения пайки не обеспечили бы способу производства коронок надлежащей конкурентоспособности.

Известен способ формирования соединений , когда в качестве промежуточного элемента (вставки) используется ниобий, способный под воздействием температуры (80О-900°С) и окислительной среды (воздух) к окислению с увеличением объема до 20%.

Недостатком его является низкая сопротивляемость воздействию ударно-динамических нагрузок, каким подвержен буровой инструмент. Этот способ взят за прототип.

Целью изобретения является повышение надежности и работоспособности буровых коронок с использованием эффекта увеличения объема материала прокладок.

Цель достигается тем, что осуществляется установка вставок с фиксирующими прокладками в соответствующие углубления в корпусах коронок и увеличение объема фиксирующих прокладок производят путем последовательной термообработки до степени деформации по толщине, не превышающей 50 %, при этом для материала прокладок из пластинчатых материалов типа дюралюмин термообработку производят в виде предварительного отжига и последующего искусственного старения в сборе, а из ледебуритных сталей карбидного класса типа Х9ВМФ производят закалку на аустенит с последующим отпуском в сборе при Т = 550-600°С в течение 2 ч.

Использование в качестве материала прокладки не хрупкой окисной пленки (окалины) на поверхности прокладки из ниобия, а предельно пластичного листа дюралюмина толщиной порядка 0.3 мм в состоянии отжига, закалки и естественного старения, смягченного путем возврата (нагрев до 200-250°С с выдержкой до 60 мин), после нагрева сборки до 150-170°С и выдержки до 120 мин (искусственное старение) вследствие протекания в металле прокладки термоструктурных превращений и наклепа приводит к восстановлению прочностных свойств до уровня исходных (u_в= 442-475;
u_т= -358 МПа;d= 14-11 % для материала Д16). Про­цесс выделения из твердого раствора дюралюмина промежуточных фаз (cual₂и Мg₂s _i) сопровождается формированием поля упругих напряжений от увеличения объема до 50 % и разности коэффициентов термического расширения стали 35ХГСА (для близкой по составу стали 35 ХС коэффициентa= (11,7-12,5)Ч10 ^-6 в интервале температур 20-200°С и дюралюмина (алюминия) в этом же интервале температур,a= (23,8-25,5) -10 ^-6, способствующих возникновению напряжений натяга в сборках для надежного удержания твердосплавных вставок в гнезда корпуса коронки из стали 35ХГ СА.

При более высокой температуре разо­грева бурового инструмента в процессе эксплуатации и отсутствия возможности применения охлаждения, например, при нагреве до температур порядка 800°С. в каче­стве материала для прокладок рекомендуются закаленные на аустенит (до 60%) пластины из ледебуритных сталей карбидного класса, например марки Х9ВМФ ОСТ 24.013.16-81, способные после высокотемпературного отпуска (550-600°С) к вто­ричному твердению (выделению вторичных карбидов) с одновременным увеличением объема до 50% за счет перевода остаточного аустенита в мартенсит отпуска. При этом обеспечиваются высокая прочность материала прослойки и необходимый натяг для достижения высокой прочности сборки и удержания вставок в гнездах корпуса коронки.

Способ поясняется рис. 1 и 2.

Пример 1. Под призматическую твердосплавную вставку толщиной 10 мм из сплава ВК10КС ГОСТ 3882-74 в корпусе ко­ронки выполняется паз шириной 10,3 мм и глубиной 15 мм. Из неплакированного дюралюминового листа сплаваd16 толщиной 0,3 мм, поставленного в соответствии с нормалью МАП АМТУ 258-55 в состоянии отжига и естественного старения, вырубкой получали заготовку 38x40x0,3 мм и подвергали ее нагреву до 250°С в течение 60 мин (возврат). Охлажденную в воде заготовку 1 немедленно гнули до получения П-образной формы под толщину твердосплавной встав­ки и запрессовывали вместе с вставкой 2 в гнездо корпуса 3, имеющее на входе фаски 0,15x30° Сборку нагревали до температуры 170°С. выдерживали 2 ч и выпрессовывали на гидравлическом прессе ГРМ-2 в специ­альном приспособлении по схеме, приведенной на рис. 2. Усилие сдвига запрессовки относили к боковой площади контакта прокладки с корпусом и определяли прочность сборки. Напряжение посадки твердосплавной вставки в этом случае составило 238 МПа.

Пример 2. Под ту же призматическую вставку толщиной 10 мм в корпусе коронки выполнялся паз шириной 11 мм и глубиной 15 мм. Изотермически отожженные пластины размерами 38x15x0.55 мм подвергали закалке в масле с нагревом в хлорбариевой ванне до температуры 1180°С.

Количество остаточного аустенита, определенное на баллистической установке типа БУ-3, составило 89%. Твердость закаленных пластин составила 30hrc. После шлифовки по боковым граням толщина пластин находилась в пределах 0,52-0.53 мм. Пластины вместе с твердосплавными вставками без особого труда (с помощью удара молотком) были запрессованы в паз корпуса коронки и подвергнуты нагреву в течение 2 ч при температуре 580°С. Распрессовка по схеме, показанной на рис. 2, показала увеличение касательных напряжений в сборке до 605 МПа. Материал пластин-стали карбидного класса с эффектом вторичного твердения, например, Х9ВМФ.

Рис. 1

Рис. 2