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L'invention est relative à un procédé pour cimenter et tremper des organes métalliques creux , et plus spécialement à un procédé perfectionné pour cémenter et tremper tant l'in- térieur que l'extérieur de tels organes qui peuvent comporter des surfaces internes difficilement accessibles
Bien que la présente invention puisse être d'appli- cation dans un grand nombre de domaines , en particulier ceux comportant la cémentation et trempe des surfaces tant internes qu'externes d'objets creux allongés ayant des parties de corps relativement minces séparant les surfaces interne et externe , l'invention est spécialement adaptée à la formation d'une nouvelle structure de tige ou barre de forage .
Les tiges ou barres dites " tiges ou barres de forage de roches" présentent généralement des dimensions standards allant d'environ 0,60 m à 6,00 m de long et d'environ 19,08 mm à 50,8 mm de diamètre,
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Actuellement , des tiges ou barres de section hexagonale sont usuellement employées avec des dimensions en section droite de 22,0 mm jusqu'à. 47,4 mm (mais ces dimensions sont considérées être des "diamètres" de sections droites pratiquement rondes pour les buts de la présente description) .
Les tiges ou barres sont formées à l'aide d'acier d'ap- provisionnement par travail à chaud ou à froid , ordinairement sur un mandrin approprié , ce qui a pour résultat la formation dans les tiges ou barres d'un trou axial d'approximativement 6,3 mm de dia- mètre . Bien que la façon particulière dont le trou est formé dans les tiges ou barres ne soit pas tellement importante, ce trou s'étend sur toute la longueur de la tige ou barre et le rap- port de la longueur du trou au diamètre du trou est très notable .
Antérieurement ,des tiges ou barres de forage ont été confectionnées en aciers à haute teneur en carbone, qui sont difficiles à travailler , mais il n'a été trouvé que récemment que des tiges ou barres de forage donnant des performances nettement supérieures peuvent être faites à partir d'aciers ayant une teneur plus basse en carbone , qui sont cémentées et trempées tant sur la surface externe que sur la surface interne définissant le trou axial .
La pellicule ou couche durcie sur la surface intérieure est ici très importante, et elle sera à peu près égale en épais- seur à la pellicule ou couche extérieure . On a toutefois rencon- tré un certain nombre de difficultés en tentant de fabriquer une telle tige ou barre de forage cémentée et trempée @
En général, le procédé de cémentation et trempe comporte d'abord une opération de cémentation ou carburation et ensuite une opération de refroidissement brusque , dans laquelle l'objet carburé chaud est immergé dans un liquide de refroidisse- ment, comme de l'eau ou de l'huile,
de manière à refroidir rapide- ment l'objet de pratiquement la température de carburation à prati- quement la température ambiante (ou tout au moins una température d'environ 149 C de manière que d'autres changements ou modifica-
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tions métallurgiques ne se produisent pas en refroidissant jusqu'à. la température ambiante) . La teneur en carbone des portions de surface carburéés , de même que la vitesse à. laquelle ces portions de surface sont refroidies détermineront la dureté et autres pro- priétés désirables dans la couche cémentée et trempée . Des diffé- rences dans les épaisseurs de pellicule ou couche , en particulier dans les surfaces intérieures difficilement accessibles, peuvent donner lieu à des défauts .
Egalement , différentes vitesses de refroidissement pour différentes portions de surface peuvent créer une différence marquée telle dans la matière résultante que @ des gerçures ou défauts peuvent être engendrés si de telles por- tions de surface sont adjacentes . De plus un gauchissement excessif , au delà et au-dessus de celui pouvant être obtenu en utilisant des techniques de carburation et de refroidissement idéales ,peut résulter d'un manque de refroidissement uniforme.
Une particularité de tiges ou barres de forage et objets creux analogues ayant des surfaces intérieures dif- ficilement accessibles , est qu'une carburation uniforme des surfaces internes est difficile et que le refroidissement uni- forme de telles surfaces par contact avec le liquide refroidis- seur ne peut être obtenu .
Par exemple , l'opération de carburation en soi présente un certain nombre de problèmes . Une carburation uni- forme à l'aide de gaz a été trouvée pratiquement impossible , en raison de la difficulté d'obtenir une concentration uniforme de gaz dans le trou . Lenrobage des tiges ou barres dans de la matière carburante solide présente également des difficultés, non seulement en raison de la tendance à une carburation légè- rement plus lente ( carburation qui est réellement une réaction gaz-solide) dans le trou, mais également de la tendance à courber ou plier les tiges ou barres ainsi enrobées du fait du déplacement de la matière carburante pendant la carburation . Des bains de liquides de carburation (KCN) présentent des dangers pour la sécurité .
Comme autre problème, le liquide de refroidisse-
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ment initial qui entre dans le trou n'est qu'une très petite quantité du liquide qui engage une étendue plutôt substantielle de surface chauffée , et ceci a pour résultat immédiat la vapo- risation du liquide de refroidissement qui , dans le cas de telles tiges ou barres de forage , refoule violemment de la vapeur et du liquide hors de l'extrémité opposée du trou . Un tel courant s'écoulant à grande vitesse de vapeur ou d'huile échauffée qui est très hasardeux et difficile à gouverner est indésirable .
De plus , les surfaces du trc.x n'entrent pas uniformément en contact avec le liquide ,en raison de la présence de vapeur dans le trou , de sorte que l'on rencontre des certaines/difficultés précédemment mentionnées .
La présente invention procure une solution unique aux problèmes particuliers à cette technique . Tout d'abord , l'invention envisage de remplir le trou de la tige ou barre avec une matière carburante normalement solide , et de sceller cette matière dans le trou ,de manière que le contact avec le trou à des températures de carburation se traduise par une carburation uniforme à une vitesse prédéterminée . La tige ou barre elle- même est chauffée à des températures de carburation dans un fluide carburant qui sera,naturellement, exposé aux surfaces extérieures de la tige ou barre , et qui effectue aussi la carburation de ces surfaces extérieures uniformément et à une vitesse prédéterminée .
De préférence ,la tige ou barre est suspendue par une extrémité dans le fluide carburant pour minimiser la courbure .ou gauchisement. De plus , la concentration de la matière carburante dans le fluide peut être contrôlée ,. de manière que la vitesse de carburation soit contrôlée et les épaisseurs résultantes de pellicule ou couche sur les surfaces intérieure et extérieure peuvent avoir le rapport désiré .
Par exemple , des techniques de diffusion peuvent âtre employées pour corrélationner les deux vitesses de carburation dans une situation pour laquelle la matière carburante solide dans le trou
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est quelque peu plus lente . Dans une telle situation, la carbu- ration dans une atmosphère gazeuse peut être exécutée dans la mesure désirée sur la surface externe de la tige ou barre , et la tige ou barre peut alors être maintenue à des températures de carburation dans une atmosphère pratiquement inerte (ou une atmos- mosphère ne provoquant pas une décarburation) , pendant une pério- de de temps additionnelle durant laquelle la "diffusion"se pro- duit le long de la-surface extérieure , et de la carburation additionnelles peut se produire dans le trou de la tige ou barre.
Bien que le refroidissement par contact de surface effectif entre le liquide de refroidissement et la surface à. cémenter et tremper a. antérieurement été considéré comme un élément nécessaire du processus , la présente invention prévoit additionnellement un procédé qui évite cette opération du proces- sus en ce qui concerne les surfaces intérieures difficilement accessibles de l'objet , tout en obtenant la cémentation.. et trempe de celles-ci . En d'autres termes, la présente invention envisage de refroidir la tige ou barrè en assurant le contact uniquement de sa surface externe avec le liquide de refroidisse- ment , tout en prévenant le contact entre le liquide de refroidis- sement et la surface interne .
Ce résultat est obtenu en scellant les extrémités ouvertes du trou avant carburation et en mainte-- nant le scellement pendant le refroidissement L'invention est basée en partie sur la constatation que le refroidissement quelque peu moins rapide des surfaces internes par conduction de chaleur à travers l'enveloppe ou corps mince de la tige ou barre a pour résultat non seulement une cémentation et trempe extrêmement uni- forme , mais également effective de la surface interne . On a constaté que l'uniformité de la cémentation et trempe de la surface interne est particulièrement importante des points de vue résistance et performance .
C'est par conséquent un objet important de la présente invention de prévoir une opération de cémentation et trempe perfectionnée pour tiges ou barres de forage creuses et objets semblables .
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Un autre objet de l'invention est de prévoir une méthode perfectionnée de production d'une tige ou barre de forage en acier ayant un trou axial . qui comprend le remplissage du trou à ltaide d'une matière carburante en petites particules séparées ,le chauffage de la tige ou barre à température de car- buration en présence d'un fluide carburant, le scellement des extrémités du trou et le refroidissement de la tige ou barre en assurant le contact de l'extérieur seulement de la tige ou barre avec du liquide de refroidissement, grâce à quoi le refroidisse- ment de la surface interne est réalisé par conduction de chaleur à travers le corps de la tige ou barre .
D'autres objets., caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront pour les gens de métier de la description détaillée qui suit et des dessins annexés . Sur les dessins :
Fig. 1 est une vue en élévation et coupe d'une tige ou barre de forage cémentée et trempée , obtenue par le procédé réalisant l'invention et représentée avec des moyens de scel- lement fermant les extrémités ouvertes du trou ;
Fig. 2 est une vue en coupe transversale, élargie , de la tige ou barre de forage de la fig. 1,obtenue sensible- ment suivant la ligne II-II de la fig. 1 ; et ,
Fig. 3 est une vue en coupe transversale obtenue sensiblement suivant la ligne III-III de la fig. 2 .
Comme montré sur les dessins :
Dans la fig. 1 , la référence 10 désigne généralement une tige ou barre de foraga réalisant l'invention, à l'achève- ment de l'opération de refroiaissement + La tige ou barre de fo- rage 10 comporte une couche cémentée et trempée 11 définissant la surface périphérique externe ,des couches cémentées et trempées 12 et 13 définissant , respectivement les surfaces terminales de dessus et de dessous de la tige ou barre 10 , et une portion de surface ou couche cémentée et trempée , 14 , définissant un trou,axial B s'étendant dans toute la longueur de la tige
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ou barre 10 En réalité la tige ou barre 10 comprend un premier manchon cémenté et trempé 14 définissant le trou axial B ,
un second manchon cémenté et trempé 11 définissant la surface extérieure pour la tige ou barre 10 ,et un corps en acier 15 interposé entre les premier et second manchons cémentés et trempés.
Il et 14 . Cette structure a été constatée satisfaisante à un degré pratiquement unique pour des tiges ou barres de forage. en
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, Comme déjà indiqué,et,7rc- F'f i? 'rence à la fig. 1 , la . longueur hors tout "1" de tiges ou barres standards peut aller de 0,60 à 6 m , tandis que la dimension maximum en section droite, ou diamètre "D" peut avoir de 19,05 à 50,8 mm , et le diamètre "d" du trou B est ordinairement d'environ 6,3 mm. Bien qu'il soit de pratique industrielle standard d'employer un diamètre de trou "d" d'approximativement 6,3 mm , on comprendra que cette dimension "d" peut aller depuis une valeur aussi réduite qu'en- viron 3,15 mm jusqu'à une valeur aussi grande que 12.7 mm pour les buts de la présente invention .
En raison de la manière dont le trou B est usuellement formé pendant le travail de l'acier , il n'est pas d'ordinaire parfaitement circulaire mais seulement approximativement tel , et la dimension "d" représente générale- ment le diamètre moyen (ou la dimension moyenne , en section droite, correspondante ) .
Comme on peut le noter de la fig. 2, la section droite hors tout de la tige ou barre 10 est hexagonale , et la dimension "D" maximum en section droite est la dimension précé- demment indiquée et , pour les buts de la présente invention, la dimension "D" peut être considérée être un diamètre d'une section droite pratiquement circulaire (ou en substance la dimension moyenne en s ection droite ) .
Comme on peut le voir , le rapport de la longueur "1" du trou au diamètre du trou (sur la base d'un diamètre de trou standard de 6,3 mm ) va d'un minimum d'environ 100 :1 à un maximum d'environ 1000 : 1 ( bien que le maximum soit en réalité illimité en pratique ) . Le rapport minimum de 100 : 1 pour 1 :d a été trouvé généralement spécifique d'une surface
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interne* difficilement accessible pour les bute de la présente invention , eh ce que, les problèmes de refroidissement sont définitivement apparents pour ce rapport minimum et pour tout apport de plus grande valeur .
Une autre caractéristique ici à considérer', est que l'épaisseur de paroi "t" (fig.1) pour la portion de tige ou barre qui entoure le trou B peut aller d'environ 6,3 mm jusque un maximum d'environ 25,4 mm à l'effet d'obtenir le meilleur effet de refroidissement sur la couche cémentée et trempée 14 par le présent processus de refroidisse- ment . Des épaisseurs de paroi notablement plus grandes que cette dimension conduiraient àretarder le refroidissement dans le corp de la tige ou barre dans une mesure trop substantielle pour obtenir les meilleurs résultats .
La première opération dans la pratique de la présente invention , est l'opération de carburation , dans laquelle tant la couche 14 de la surface interne de la tige ou barre ,que la couche 11 de la surface externe de la tige ou barre sont carburées . La carburation en. soi (dénommée également "cémentation") est un procédé bien connu qui comprend l'exposition de la surface à carburer à une matière carburante à des tempéra- tures de carburation .La matière carburante peut être solide . ou fluide . Par exemple , du charbon de bois et, ou du coke , en combinaison avec activateurs chimiques en particulier des combinaisons telles que décrites dans les brevets des Etats- Unis Rodman Nos 949.448 et 1.432.416 peuvent être employées .
Egalement , un bain d'un sel contenant du carbone , comme du cyanure de potassium , peut être utilisé comme matière carburante liquider ou bien encore un hydrocarbure , tel que du gaz naturel, peut être employé comme matière carburante gazeuse . Dans de tels procédés de carburation pouvant être utilisés dans la pratique de la présente invention , le carbone commence à pénétrer les surfaces d'acier à environ 705 C, mais des températures allant jusqu'à 1095 C peuvent 'être utilisées pour accélérer le
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processus .
De préférence , une température de carburation de 89900 à 926 C peut être employée
Dans la pratique de la présente invention , la pre- mière opération du procédé est celle de remplir le trou B à l'aide de la matière carburante en petites particules séparées M Cette matière carburante particulière peut être sous forme de particules de sel de cyanure de potassium (avec ou non d'autres matières carburantes particulières telles que celles mentionnées par Rodman) , mais si de telles particules d'un sel contenant du carbone doivent être utilisées comme ingrédient essentiel dans la matière carburante particulière qui remplit le trou B , il est nécessaire de tasser ces particules plutôt fortement dans le trou afin d'assurer le contact entre la matière carburante et les parois 14 du trou aux températures de carburation .
En d'au- tres termes , les sels de ce type fondent aux températures de carburation et , s'ils sont disposés lâchement dans le trou B , ils peuvent ne remplir que la portion inférieure du trou B , ' lorsqu'ils sont fondus .De préférence la matière carburante en petites particules séparées utilisée est une matière réfrac- taire , ou bien une matière qui reste solide à des températures de carburation .
Par l'emploi de telles matières réfractaires il est possible de maintenir un contact étroit entre la matière carburante et les parois 14 du trou , d'une façon uniforme dans to le trou B .De préférence , la matière carburante en petites par., ticules séparées est une matière carbonée cokéfiée, comme du charbon de bois, du charbon, etc. , cokéfié, qui contient une
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petite quantité d'activeur'(c'est-à-dire 1 à 20fi en poids) tel qu'un carbonate alcalino-terreux ou un carbonate de métal alcalin broyé la dimension de particules fines (par exemple propres à passer à un tamis de 8 mailles) de manière à pouvoir être commodément introduite dans le trou B .
En référence à la fig. 1 , il est généralement préférable de maintenir la tige ou barre 10 dans une position
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dressée , et un bouchon d'acier inférieur 17 est ajusté à force dans le bas du trou B , la matière carburante particulière étant alors versée dans le trou B de façon à le remplir complètement .
Ensuite le bouchon d'acier supérieur 16 est ajusté à force dans le sommet du trou B . A ce stade du procédé , on comprendra que les couches carburées 11, 12, 13 et 14 ne sont pas encore présentes sur la tige ou barre 10 .
Dans l'opération suivante ,la tige ou barre 10 est suspendue par son extrémité supérieure dans un four de manière à pendre librement Cette disposition présente un avantage particulier du fait qu'elle tend à éliminer une quantité notable de gauchissement dans la tige ou barre 10 pendant la carburation,. et ceci est l'une des raisons d'employer une matière carburante fluide pour carburer la couche externe 11 de la tige ou barre 10 .
Dans le four , la tige ou barre 10 peut être suspendue par son extrémité supérieure dans une matière carburante fluide tel un bain d'un sel fondu contenant du carbone (comme un bain de cyanure de potassium) .Un désavantage de l'emploi de cyanure de potassium est le facteur de sécurité en raison de la nature nocive des fumées , mais un meilleur contrôle de carburation peut également être obtenu en utilisant une matière carburante . gazeuse comme matière carburante fluide .Une caractéristique importante de la présente invention réside dans le fait que l'épaisseur ou profondeur à de la couche interne et l'épaisseur ou.
profondeur C de la couche externe peuvent être contrôlées adéquatement pendant l'opération ,de sorte que l'emploi de gaz pour une carburation plus aisément contrôlée de la couche externe 11 est d'avantage particulier . Des gaz peuvent être employés comme fluides carburant contiennent , comme composant contenant du carbone , des matières telles que du gaz naturel , des hydro- carbures supérieurs volatilisés , etc .
Le temps pendant lequel la surface métallique ferreuse est exposée à la matière carburante , à la température de carbu- ration , déterminera naturellement l'épaisseur ou profondeur
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de la couche carburée et l'épaisseur ou profondeur de la couche cémentée et trempée résultante ..
Pour les buts de la présente invention , les épaisseurs ou profondeurs carburée ou cémentées et trempées' c et C , sur les surfaces interne et externe , respec- tivement (fig.2) peuvent aller d'environ 0,25 mm à environ 3,17 mm pour la pratique- de la présente invention ,bien que l'épaisseur ou profondeur préférée c et ou C utilisable dans la pratique de la présente invention dans la fabrication des tiges ou barres de forage soit de 1,27 à 2,28 mm (de préférence c et C sont 0,05 - 0,07 D ) . .La teneur en carbone dans ces portions carburée est de 0,8 - 1,2 %.
Comme exemple typique , utilisant une tige ou âa-rre de forage de 6' m,en acier SAE 4320, de section droite hexagonale de 38,1 mm.ayant un trou axial de 6,3 mm , le trou est complète- ment rempli d'une matière carburante solide , de forme particulière propre à passer à travers un tamis de 8 mailles , composée de charbon de bois et , ou de charbon cokéfié (100 parties en poids), carbonate de baryum (5 parties en poids) et carbonate de sodium (5 parties en poids) .
La tige ou barre est alors suspendue libre- ment par une extrémité dans un four chauffé (dans une atmosphère inerte) à 926 0 . Du gaz naturel est fourni au four (à raison de 5662 litres/heure) pour créer une atmosphère carburante , et la tige ou barre est maintenue à 926 C pendant 8 heures , période suivie d'une période de diffusion de 2 heures à 926 C dans une atmosphère inerte . Le résultat sont les couches carburées 11 et 14 sur les surfaces externe; et interne , ayant des épaisseurs ou profondeurs carburées C et c , chacune de 2,03 - 2,28 mm .
Des résultats comparables sont obtenus en maintenant la même tige ou barre immergée dans un bain de cyanure de potassium fondu. pour la même période de temps , la même température, .
Si chacun des processus qui précèdent est répété , sauf qu'une tige ou barre d'acier SAE 8620 de section droite hexagonale de 22,22 mm,1 de 3 m ayant un trou axial de 6,35 mm est employée, avec un temps de carburation de 4 1/2 heures et un temps de diffu-
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sion de 1 1/2 heure , les épaisseurs ou profondeurs carburées externe et interne précédentes C et c sont chacune de 1,27-1,52 mm.
Le scellement des extrémités opposées du trou axial B peut , dans chaque cas être réalisé à l'aide , uniquement , de bouchons ajustés à force , 16 et 17 respectivement (fig.1),y introduits . De tels bouchons peuvent être faits en acier ou autre matière réfractaire appropriée ,mais sont de préférence confectionnés en acier de façon à résister au choc de ltopération de refroidissement brusque .
Le refroidissement brusque suivant la méthode habituelle , à partir de la température de carburation (ou à partir d'une température d'au moins environ 815,56 C) est exécuté en plongeant les tiges ou barres carburées dans de l'huile (ou facultativement de l'eau. ) . Pendant le refroidissement brusque , les tiges ou barres sont rapidement refroidies à une température qui peut être considérée comme température ambiante en ce que la température est suffisamment basse (soit 149 C ou moins) pour que d'autres changements métallurgiques ne se produi- sent plus par refroidissement à la température ambiante .
Après le refroidissement brusque des tiges ou barres carburées qui vient;d'être décrit 'les bouchons sont enlevés, et l'on constate que la résistance à traction du corps 15 est d'environ 87,80 kg/mmZ ,tandis que celle des couches cémentées et trempées 11 et 14 est d'environ 210 à 281 kg/mm2 (et la dureté Rockwell "6" est 55-63 comparativement à 35-43 dans la matière de départ) .
Les tiges ou barres résultantes sont alors dressées par travail à froid (comparativement aisé) pour éliminer le léger gauchissement s'il y en a , et les tiges ou barres peuvent être soumises à des traitements thermiques subséquents habituels pour éliminer les tensions ,., etc .
Bien que la présente invention puisse être employée en utilisant tous matériaux ferreux ,certaines matières sont préférées pour des tiges ou barres de forage . Comme précédem- ment mentionné , des tiges ou barres de forage ont été faites
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d'acier à haute teneur en carbone comme SAE 1080 (spécification 0,75 - 0,88 % 0, 0,60 - 0,90 % Mn , 0,040 % P Maximum , 0,050 % S maximum , le reste Fe ) .
Les aciers préférés pour lemploi dans la pratique de l'invention ,ont des teneurs en carbone relativement basses de 0,10 - 0,30 C , et peuvent contenir 0,40 - 1,0 % Mn (plus 0,040 % P maximum. , 0,040 % S maximum , et 0,20 - 0,35 % Si) .
Mais ces aciers contiennent également de petites quantités d'un ou plusieurs éléments tels que Ni ,Or et Mo qui retardent la forma- tion de martensite ( ou qui servent à retenir au moins 20 - 30 % d'austénite dans la.surface interne de la tige ou barre carburée lors du refroidissement brusque ) . Les quantités de tels éléments sont 0,40 - 3,75 % Ni 0,40 - 1,10 % Cr et , ou 0,15- 0,30 % Mo .
L'acier préféré pour être utilisé dans l'invention est 1 acier SAE 4320 (ou AISI 4320) (spécification 0,17- 0,22 % C 0,45 - 0,65 % Mn, 0,40 % P maximum , 0,040 % S maximum , C,20- 0,35 Si ,1,65 - 2,0% Ni , 0,40- 0,60 Or maximum 0,20- 0,30% Mo dans le cas de la plupart des dimensions de tiges ou barres de' forage d'approvisionnement, mais pour la plus petite dimension d'approvisionnement de 25,4 mm de diamètre ou moins l'acier SAE 8620 ( ou AISI 8620 ) est préféré et celui-ci a une teneur moindre en Ni et une teneur légèrement plus élevée en Mn (spécifi- cation :
0,18- 0,23 % 0 0,70 - 0,90 % Mn , 0,040 le* P maximum, 0,040 % S maximum , 0,20- 0,35 % Si , 0,40- 0,70 % Ni , 0,40 - 0,60 % Cr et 0,15 - 0,25 % Mo 0 Le Mn additionnel dans SAE 8620 procure la compensation pour le Ni réduit pour ce qui concerne le retard dans la formation de martensite . ,
Il doit être entendu que des modifications et des variations peuvent être introduites ,sans se départir de l'esprit ni s'écarter de la portée de l'invention .