ITTO20000355A1 - Trattamento superficiale per inserto in carburo di tungsteno. - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: "Trattamento superficiale per inserto in carburo di tungsteno"

DESCRIZIONE

L'invenzione si riferisce in generale ad inserti per punte per la perforazione del terreno ed in particolare ad una finitura 'superficiale da realizzare su inserti di trivellazione usati sui coni delle punte da perforazione.

Un tipo comune di punta per la perforazione del terreno è quella del tipo a rulli conici. La punta ha una pluralità di coni, normalmente tre, che ruotano attorno ai loro propri assi quando il corpo della punta viene ruotato attorno al proprio asse. Ciascun cono ha elementi taglienti sull'esterno che scalfiscono e raschiano il fondo del foro di scavo. Per formazioni più dure, inserti in carburo di tungsteno vengono premuti in corrispondenti fori nei coni. Ciascun inserto ha una base cilindrica che si accoppia esattamente con interferenza nel corpo del cono. Una punta tagliente, che può avere diverse forme, sporge dalla base.

Gli inserti di carburo di tungsteno vengono formati pressando e sinterizzando particelle di carburo di tungsteno in una matrice quale il cobalto. Dopo averla rimossa dallo stampo, la base dell'inserto deve essere rettificata ad una dimensione precisa. Sistemi e metodi tradizionali per la rettifica o smerigliatura delle parti di carburo cementato, quali gli inserti da trivellazione, lasciano nella superficie di finitura dei graffi piuttosto profondi e larghi. Ciò è in parte dovuto alla ruota di smerigliatura che presenta particelle diamantate che sporgono al di sopra del piano di smerigliatura predominante formato dal materiale della matrice di supporto. Durante l'uso, il materiale relativamente morbido della matrice tende a erodersi più velocemente rispetto alle particelle più grosse e più dure di diamante, così che i diamanti vengono esposti per scalfire la superficie degli inserti.

Gli inserti con superfici scalfite richiedono una maggiore forza per inserirli in fase di installazione, e hanno una capacità di ritenzione e durabilità minori durante la trivellazione. In aggiunta, un inserto con una finitura superficiale di bassa qualità fa aumentare il taglio sulla parete del corpo di acciaio del cono nel foro, il che fa anche diminuire la ritenzione.

Nonostante gli inserti possono essere lucidati per realizzare una superficie di.finitura più liscia, le tecniche di lucidatura tradizionali sono limitate al trattamento di superfici che sono sostanzialmente parallele al dispositivo di lucidatura. Ad esempio, la base di un inserto da trivellazione ha tipicamente un tamburo cilindrico che si rastrema in direzione di uno smusso su una estremità per facilitare l'inserimento nella punta da perforazione. Quando l'inserto viene lucidato mediante tecniche tradizionali, viene migliorata solo, la finitura superficiale del tamburo; lo smusso rimane non lucidato. Sfortunatamente, la superficie di finitura dello smusso ha un impatto significativo sulle prestazioni dell'inserto.

Un inserto .da perforazione ha un tamburo cilindrico, uno smusso su un'estremità, un'interfaccia tra di essi ed una punta tagliente opposta allo smusso. L'inserto viene smussato in un foro in una punta da perforazione sotto una pressione elevata al fine di superare un accoppiamento ad interferenza tra le parti. Quando vengono pressati nel foro, lo smusso e l'interfaccia vengono a contatto con l'entrata del foro e facilitano il passaggio del tamburo nel foro. Una superficie di finitura di qualità elevata sullo smusso e sull'interfaccia sono di importanza, critica per esaltare la durabilità e la ritenzione dell'inserto nella punta da perforazione.

La superficie di finitura sull'inserto può essere prodotta pulendola con una pellicola di levigatura diamantata. L'inserto viene ruotato fra tre rulli mentre la pellicola di levigatura passa sulle sue superfici. Uno dei rulli e la pellicola si conformano secondo il profilo assiale dell'inserto mentre ciascun elemento ruota, così che l'interfaccia, lo smusso, e il tamburo dell'inserto vengono tutti lucidati simultaneamente. Altre tecniche di finitura superficiale, quali la barilatura, possono anche essere usate per produrre l'effetto di finitura superficiale desiderato. Dopo la lucidatura, può essere applicato un rivestimento sull'inserto per ritardarne la corrosione. Dopo il ricoprimento,, l'inserto viene di preferenza nuovamente lucidato mediante il procedimento di pellicola di levigatura diamantata.

Affinché possano essere comprese in dettaglio le caratteristiche-, i vantaggi e gi scopi dell'invenzione, così come altri che saranno spiegati meglio in seguito, verrà fatta ora una descrizione di una sua forma di attuazione che è illustrata negli allegati disegni, i quali fanno parte di questa descrizione. Si deve notare però che i disegni illustrano solo una forma di attuazione preferita dell'invenzione e che non devono essere considerati come limitativi della portata dell'invenzione che potrà ammettere altre forme di realizzazione ugualmente efficaci.

La figura 1 è una vista frammentaria in sezione di un rullo conico con inserti usati come denti per la disintegrazione del terreno.

La figura 2 è una vista isometrica allargata di uno degli inserti di figura 1 costruito in accordo con l'invenzione.

La figura 3 è un grafico di un raccordo dal tamburo allo smusso per un inserto di tipo tradizionale.

La figura 4 è un grafico di un raccordo tra tamburo e smusso per l'inserto della figura 2.

La figura 5 è una rappresentazione grafica della superficie di interfaccia tra il tamburo e lo smusso di un inserto di tipo tradizionale e per l'inserto della figura 2.

La figura 6 è una rappresentazione grafica della figura 5 ma in scala ridotta.

La figura 7 è un grafico della forza di inserimento in funzione dello spostamento per l'inserto della figura 2 e per l'inserto secondo la tecnica nota.

La figura 8 è un grafico della forza di rimozione o di spinta in uscita in funzione dello spostamento per l'inserto della figura 2 e per l'inserto della tecnica nota.

La figura 9 è una vista schematica in sezione laterale di un'apparecchiatura per creare una finitura superficiale desiderata sull'inserto della figura 2.

La figura 10 è una vista in scala ingrandita dell'apparecchiatura e dell'inserto della figura 9 secondo la linea 10-10 di figura 9.

La figura 11 è una vista in sezione dell'inserto di figura 2, fatta lungo la linea 11-11 della figura 2.

Facendo riferimento alla figura 1, un rullo conico tradizionale 11 è illustrato supportato su un perno di supporto 13 di una punta da perforazione rotativa. Il cono 11 ha una pluralità di fori ciechi 15, ciascuno dei quali riceve e vincola un inserto metallico di trivellazione 17 con un accoppiamento ad interferenza. La composizione metallurgica preferita per l'inserto 17 è un sottostrato di inserto a base di carburo di tungsteno e nickel/cobalto. L'inserto 17 è formato in un processo di sinterizzazione tradizionale.

Come illustrato in figura 2, l'inserto 17 è un perno con una superficie cilindrica di parete o tamburo 21, una estremità perpendicolare 23 con uno smusso 25, ed un'estremità di punta tagliente 27, che è emisferica nella forma di realizzazione illustrata. L'estremità tagliente 27 può avere altre configurazioni, quale ad esempio conica, a scalpello o ovoidale. L'inserto 17 ha anche una piccola interfaccia anulare 29 con un raccordo tra il tamburo 21 e lo smusso 25.

Il diametro esterno del tamburo 21 è maggiore del diametro interno del foro 15, creando un accoppiamento ad interferenza per trattenere l'inserto 17 nel foro 15. Gli inserti 17 vengono forzati nei fori 15 sotto una forza elevata al fine di superare l'accoppiamento ad interferenza tra di essi. Quando viene pressato nel foro 15, lo smusso 25 verrà a contatto con l'ingresso al foro 15. Lo smusso 25 e l'interfaccia 29 facilitano il passaggio del tamburo 21 nel foro 15 durante l'inserimento. La finitura superficiale sullo smusso 25 e sull'interfaccia 29 sono di importanza critica per 'esaltare la ritenzione degli inserti 17 e la loro durabilità. In particolare, la finitura superficiale perfezionata sull'interfaccia 29 riduce al minimo o elimina il taglio sulla parete del corpo in acciaio nel cono 11 nel foro 15 per migliorarne la ritenzione.

Un procedimento per la produzione della finitura superficiale sugli inserti 17 secondo l'invenzione è illustrato nelle figure 9 e 10. Dopo la smerigliatura, il tamburo 21, lo smusso 25 e l'interfaccia 29 vengono lucidati con una pellicola di levigatura diamantata 57. L'inserto 17 è illustrato tra i due rulli conduttori 51, 53 ed un rullo superiore 55. I rulli 51, 53, 55 fanno ruotare l'inserto 17 attorno al proprio asse in una prima direzione. Il rullo superiore 55 è formato in un materiale elastomerico cedevole che lo rende conforme al profilo assiale dell'inserto 17 (figura 10) senza toccare i rulli 51, 53. Questa capacità di adattarsi è critica per la lucidatura dell'interfaccia 29 e dello smusso 25 sull'inserto 17. La pellicola di levigatura 57 viene mossa tra l'inserto 17 e il rullo superiore 55 in una seconda direzione che è contraria alla direzione di rotazione dell'inserto 17. Un liquido di raffreddamento viene fornito sull'inserto 17 durante questo procedimento. La pellicola 57 compie un passaggio sull'inserto 17 e viene costantemente rinnovata su un sistema di alimentazione della pellicola. Come illustrato in figura 10, la pellicola 57 si piega e si conforma adattandosi al contorno dello smusso 25 e dell'interfaccia 29 al di sotto del rullo superiore 55. La pellicola 57 preferita è prodotta dalla 3M Company, St.Paul, Minnesota. Varie finiture superficiali sono disponibili per la pellicola 57, ma si preferisce una pellìcola da 45 micron. L'attrezzatura per l'esecuzione di questo procedimento di levigatura mediante pellicola diamantata è prodotta dalla Grinding Equipment & Machining Co., Ine. Youngstown, Ohio. Altre tecniche di finitura superficiale quali la barilatura possono anche essere usate per produrre la finitura superficiale voluta sullo smusso 25 e sull'interfaccia 29.

Dopo il procedimento di lappatura o altre tecniche di finitura superficiale, viene preferibilmente piazzato sull'inserto 17 un rivestimento liscio 59 di metallo duro (figura 11). Il rivestimento 59 è molto sottile, preferibilmente di 0,75 micron, e quindi è illustrato in spessore esagerato in figura 11. Lo spessore del rivestimento può variare in spessore da 0,1 micron a diversi millesimi di pollice. L'inserto 17 viene rivestito particolarmente sul tamburo 21, sullo smusso 25 e sull'interfaccia 29, e potrà anche trovarsi sull'estremità tagliente 27. Il rivestimento è fatto mediante un procedimento tradizionale, quale la deposizione chimica mediante vapore (CVD) o la deposizione per pressione mediante vapore (PVD). Il procedimento preferito è mediante CVD, che produce un rivestimento omnidirezionale e avviene ad una temperatura di circa 1100°C. Il procedimento PVD ha luogo ad una temperatura più bassa rispetto al procedimento CVD, però i depositi piuttosto che essere omnidirezionali sono per linee. La lucidatura precedente mediante la pellicola di levigatura diamantata aiuta a trattenere il rivestimento 59. Il rivestimento 59 duro e resistente all'abrasione può essere tic, tin, TAC, AI2O3, Tic, B4C o qualsiasi combinazione di questi rivestimenti, o in generale nitriti e carburi del quarto, quinto e sesto gruppo della tavola periodica degli elementi. Il rivestimento 59 può anche essere monostrato o multistrato. Dopo il rivestimento, l'inserto 17 viene preferibilmente lucidato di nuovo per mezzo del procedimento a pellicola di levigatura diamantata sopra descritto.

Facendo ora riferimento alla figura 4, è illustrato un diagramma della finitura superficiale dell’inserto 17 dopo che è stato lucidato mediante il procedimento di levigatura diamantata. L'inserto 17 misurato nelle figure 4-7 non è stato rivestito come sopra descritto. In figura 4, l'asse orizzontale indica lo spostamento lungo la superficie dell'inserto (in millesimi di pollice), e l'asse verticale rappresenta le variazioni nella finitura superficiale (in micron). La scala verticale è esagerata a circa 500:1 per meglio illustrare la rugosità superficiale. La. media aritmetica del valore assoluto delle deviazioni dalla linea mediana (Ra) è di 3,4 micron e preferibilmente non è superiore a circa 5 micron sul tamburo 21 o sullo smusso 25. Il valore quadrato medio (rms) corrispondente al Ra è di 4,1 micron. Il valore piccopicco massimo (Rt) è di 31,5 micron e preferibilmente non dovrebbe essere superiore a circa 50 micron sul tamburo 21 o sullo smusso 25. Infine, l'assimetria (Rsk) o simmetria della .curva di distribuzione dell'ampiezza attorno alla linea mediana è -0,4.

In figura 3, è illustrato per paragone un diagramma della superficie di finitura di un inserto secondo la tecnica nota. La figura 3 riporta le stesse scale della figura 4, e mostra che l'inserto della tecnica nota ha irregolarità molto maggiori con valori significativamente più alti, comprendenti: Ra=7,4 micron, Rq=10,3 micron, Rt=78,Q micron e Rsk=-1,7. L'inserto della tecnica nota è stato smerigliato e barilato, ma non ha una superficie di rivestimento né è stato lucidato con una pellicola di levigatura diamantata.

. La figura 5 mostra un ingrandimento del profilo superficiale dell'inserto 17 (grafico 31) e dell'incerto della tecnica nota (grafico 33). L'asse verticale rappresenta il cambiamento dipendenza della superficie degli inserti in micron), e l'asse orizzontale rappresenta lo spostamento lungo le superfici degli inserti (in millesimi di pollice). Ciascun grafico 31, 33 è limitato alla transizione dal tamburo 21 all'interfaccia 29 allo smusso 25. La finitura superficiale dell'inserto 17 conferisce al grafico 31 una pendenza molto più graduale di quella del grafico 33. La superficie di transizione dolce dell'inserto 17 riduce i danni nella parete del foro compatto durante la fase di inserimento per pressione, facendo così migliorare la ritenzione. I valori numerici associati con i grafici 31, 33 sono i seguenti:

INSERTO 17 INSERTO DELLA TECNICA NOTA

Ra Tamburo

(micron) 3,4 7,4

Ra smusso

(micron) 4,5 13,9 Analogamente, in figura 6, sono illustrati ingrandimenti ridotti delle interfacce 29 dell'inserto 17 (grafico 35) e dell'inserto della tecnica nota (grafico 37). Anche qui, la pendenza del grafico 35 è molto più dolce e più graduale di quella del grafico 37.

La figura 7 illustra ancora un altro vantaggio dell'invenzione. I grafici 41, 43 illustrano la forza di inserimento (asse verticale, libbre per pollice quadrato) richiesta per spingere l'inserto 17 e l'inserto della tecnica nota, rispettivamente, nei fori 15 lungo il loro spostamento (asse orizzontale in pollici) . La superficie di finitura dello smusso 25 e dell' interfaccia 29 è molto più liscia di quella degli inserti della tecnica nota e richiede una minore forza per l' inserimento . Ciò indica che avviene una minore sollecitazione di taglio nel metallo nel foro 15. Nella figura 8 , i grafici 45, 47 illustrano il quantitativo di forza di espulsione richiesta per spingere l' inserto 17 e l' inserto della tecnica nota, rispettivamente, fuori dai fori 15. Con l' inserto della tecnica nota, grafico 47 , la forza iniziale richiesta per produrre il movimento è più alta di quella per l' inserto 17 {grafico 45) , ma diminuisce con rapidità maggiore una volta che l' inserto inizia a muoversi . Ciò indica che il metallo del cono è stato tagliato nel foro 15. Perciò, quando l' inserto si è mosso leggermente, il diametro del foro 15 è più largo a causa del metallo tagliato. La porzione di diametro maggiorato procura una minore forza di compressione contro l' inserto lungo la lunghezza del foro 15. La minore forza di compressione permette un leggero movimento di oscillazione che avviene durante il funzionamento sotto spinte elevate . Ciò può produrre la rottura dell' inserto o la perdita dell' inserto dal foro . La pendenza del grafico 45 indica che il metallo nel foro 15 non è stato tagliato e che la forza di compressione rimane uniforme lungo la lunghezza dell' inserto .

L'invenzione ha diversi vantaggi. La finitura superficiale dello smusso dell'interfaccia sono molto più lisce rispetto agli inserti della tecnica nota e richiede una forza di inserimento molto minore. Lo smusso e l'interfaccia facilitano il passaggio del tamburo nel proprio foro del montaggio durante l'inserimento. La finitura superficiale sullo smusso e sull'interfaccia sono anche di importanza critica per esaltare l'azione di ritenzione degli inserti e la loro durabilità. In particolare, la superficie di finitura migliorata sull'interfaccia riduce al minimo o elimina il taglio della parete del corpo di acciaio del cono nel foro per migliorarne la ritenzione.

In aggiunta, il rivestimento denso e uniforme forma un buon legame metallurgicot·con il sottostrato di legante, producendo una migliore resistenza all'abrasione e una migliore finitura superficiale. I rivestimenti migliorano la resistenza alla corrosione e la ritenzione a causa della minore reattività con i fluidi di perforazione e presentano un coefficiente di attrito più basso. Il rivestimento può agire come barriera di diffusione tra il sottostrato e il materiale del cono. Il basso attrito riduce in modo significativo i danni nella parete del foro compatto durante l'inserimento per pressione, così da perfezionare la ritenzione compatta.

Nonostante l'invenzione sia stata,descritta o illustrata solo in alcune sue forme, le persone esperte del settore comprenderanno che non è da intendersi limitate a questa, ma è suscettibile di numerosi cambiamenti senza esulare dall'ambito dell'invenzione.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Inserto per punta da perforazione del terreno adatta ad essere installata in un foro in una punta da perforazione e trattenuto in essa per accoppiamento ad interferenza, comprendente: - un tamburo cilindrico; - un'estremità di base su un'estremità del tamburo, ed un'estremità a punta tagliente opposta all'estremità di base; - uno smusso sul perno che si estende tra il tamburo cilindrico e l'estremità di base; e - un rivestimento di metallo duro sul tamburo cilindrico e sullo smusso, e sull'interfaccia del perno .
2. 2. Inserto secondo la rivendicazione 1, in cui un'interfaccia tra lo smusso e il tamburo ha deviazioni che deviano da una linea media, in modo tale per cui una media aritmetica di un valore assoluto delle deviazioni dalla linea media (Ra) non è maggiore di circa 5 micron.
3. 3. Inserto secondo la rivendicazione 1, in cui un'interfaccia tra lo smusso e il tamburo ha deviazioni che deviano da una linea media, tale per cui l'altezza da picco a valle non è maggiore di circa 50 micron.
4. 4. Inserto secondo la rivendicazione 1, in cui il rivestimento ha uno spessore nel campo tra 0,1 e 3000 micron.
5. 5. Inserto secondo la rivendicazione 1, in cui il rivestimento è scelto da un gruppo consistente di nitriti e carburi degli elementi del quarto, quinto e sesto gruppo della tavola periodica degli elementi .
6. 6. Inserto secondo la rivendicazione 1 in cui il rivestimento si estende anche oltre l'estremità tagliente.
7. 7. Cono di punta per la perforazione del terreno, comprendente in combinazione: - un corpo; - una pluralità di fori ciechi; - un inserto di carburo di tungsteno montato in ciascuno dei fori ciechi, l'inserto avendo un tamburo cilindrico, un'estremità di base, ed un'estremità di punta tagliente opposta all'estremità di base, in cui è realizzato un accoppiamento ad interferenza tra ciascuno dei tamburi e ciascuno dei fori ciechi; - uno smusso sull'inserto collocato tra il tamburo cilindrico e l'estremità di base; - un' interfaccia anulare raccordata sull'inserto tra lo smusso e il corpo cilindrico; e - un rivestimento CVD sul tamburo cilindrico, sullo smusso e sull'interfaccia.
8. 8. Cono secondo la rivendicazione 7 in cui il rivestimento sull'interfaccia ha deviazioni che deviano da una linea media, in modo tale per cui una media aritmetica di un valore assoluto delle deviazioni dalla linea media (Ra) non è maggiore di circa 5 micron.
9. 9. Cono secondo la rivendicazione 7, in cui il rivestimento ha uno spessore nel campo compreso tra 0,1 e 3000 micron.
10. 10. Cono secondo la rivendicazione 7, in cui il rivestimento è scelto da un gruppo consistente di nitriti e carburi degli elementi del quarto, quinto e sesto gruppo della tavola periodica degli elementi.
11. 11. Cono secondo la rivendicazione 7, in cui il rivestimento sull'interfaccia tra lo smusso e il tamburo ha deviazioni che deviano da una linea media, tale per cui un'altezza da picco a valle non è maggiore di circa 50 micron.
12. 12. Procedimento per condizionare una superficie su un inserto di una punta per la perforazione del terreno avente un tamburo cilindrico, una punta tagliente che si estende da un'estremità del tamburo, un estremità di base opposta alla punta tagliente, e uno smusso collocato tra il tamburo e l'estremità di base, comprendente le fasi di: (a) lucidare il tamburo e lo smusso; poi (b) rivestire il tamburo e lo smusso con un rivestimento di metallo-duro; poi (c) lucidare il rivestimento.
13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 16, in cui la fase (a) comprende la lucidatura del tamburo e dello smusso con una pellicola di levigatura diamantata.
14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 16, in cui la fase (a) comprende: - predisporre una coppia di rulli conduttori un rullo cedevole ed una pellicola di levigatura diamantata; - porre l'inserto tra i rulli conduttori e il rullo cedevole in modo tale che il rullo cedevole rimane libero di contattare i rulli conduttori e la pellicola di levigatura diamantata si estende tra l'inserto di perforazione e il rullo cedevole, con il rullo cedevole che permette alla pellicola di levigatura diamantata di impegnare lo smusso; - far avanzare la pellicola di levigatura diamantata e far ruotare l'inserto in una prima direzione che è contraria ad una direzione di movimento della pellicola diamantata in modo tale che 1'inserto sia lucidato lungo il proprio tamburo e il proprio smusso.
15. 15. Procedimento secondo la rivendicazione 18, in cui la fase di far avanzare la pellicola di levigatura diamantata comprende il compiere un singolo passaggio sull'inserto con la pellicola di levigatura in modo tale che la pellicola di levigatura sia costantemente rinnovata.
16. 16. Procedimento secondo la rivendicazione 17, in cui la fase di rivestimento comprende l'applicazione di un procedimento CVD.
17. 17. Procedimento secondo la rivendicazione 17, in cui la fase di rivestimento comprende l'utilizzazione di un procedimento PVD.